comportamiento experimental de muros con perfiles de acero de lámina delgada y placas de...

7/21/2019 Comportamiento Experimental de Muros Con Perfiles de Acero de Lmina Delgada y Placas de Ferrocemento (1)

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Gaviria C., Guerrero, P, Experimental Behavior of Walls With Cold Formed Steel Sections And Boards of Ferrocement.

Memories of 10th International Symposium on Ferrocement and Thin Reinforced Cement Composite -

FERRO10, ISBN: 978-959-247-098-9 Ed: Obras, UNAICC, La Habana, Cuba, 2012.

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Comportamiento Experimental de Muros con Perfiles de Acero de Lmina Delgada y

Placas de Ferrocemento

Autores: Gaviria Mendoza, Carlos Andrs1

. Estudiante Doctoral. Universidad de PuertoRico, Mayaguez, Puerto Rico. M.Sc. Ing Civil. Universidad del Valle, Cali, Colombia.

Guerrero Ziga, Ayde Patricia. Dr. Ing Civil. Universidad de Michigan, Michigan, USA.

1 Autor de correspondencia: telfono: 57 2 339 20 86, correo electrnico:

[email protected] (C. Gaviria)

I-Introduccin

Actualmente la industria desea implementar sistemas de construccin que permitan unmayor control de calidad de la vivienda y adems, que puedan ser prefabricados y de fcil

instalacin. El sistema de muros livianos con perfiles de acero (Light Steel Framing)

permite suplir estas necesidades y ha sido implementado durante muchos aos en NorteAmrica y Europa. Esta tipologa de muros se construye a partir de perfiles de acero de

seccin C laminados en fro que son dispuestos de forma vertical y horizontal conformando

un entramado, al cual se le fijan placas de recubrimiento en ambas caras de diferentes tipos

de materiales tales como Madera o yeso.

Como una propuesta de la empresa Perfilamos del Cauca S.A y de la Universidad del Valle

se planteo el uso de placas de revestimiento en ferrocemento para los muros livianos

brindando desde el punto de vista cultural un acabado mas solido a las viviendas que el

proporcionado por materiales como el yeso y la Madera, y ofreciendo la oportunidad deexplorar la posibilidad de obtener un mejor desempeo estructural de la vivienda.

En el enfoque del diseo de los muros livianos, los perfiles verticales llamados parales son

los encargados de resistir las cargas gravitacionales y las placas de revestimiento unido al

entramado soportan la carga lateral paralela al plano del muro. Siendo esta ltima muycompleja de estimar tericamente debido a la interaccin entre las placas, los perfiles, y la

conexin entre estos [1]. Para solucionar este problema se recurre a ensayos experimentales

o, en su defecto, a los valores publicados por normas internacionales de diseo [2], [3] queestn limitados para algunos tipos de material de recubrimiento, secciones transversales de

los parales, distancias entre conectores, ubicacin de los anclajes, entre otros. De acuerdo

con lo anterior, debido a que el ferrocemento no es un material tpicamente usado en el

sistema de muros livianos, es necesario evaluar experimentalmente su comportamiento.

Para la evaluacin experimental de los muros con entramado de perfiles de acero la ASTM

presenta la Norma E2126 [4] donde recoge todas las pautas necesarias para la ejecucin de

la prueba y adems incluye una metodologa de anlisis para determinar los parmetros de

desempeo estructural. Una aplicacin de la normativa fue llevada a cabo por Vagh et al.


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(2000) [5] en muros livianos con placas de plywood (Madera contrachapada) y OSB(Tableros de fibra de madera orientada) en una de las caras y, placa de yeso en la otra, para

determinar el efecto del anclaje, el tipo de placa y la presencia de aberturas (ventanas y

puertas) al interior de muros de 12 m. de longitud. Posteriormente Flp y Dubina (2004)

[6] evaluaron el comportamiento histertico de muros livianos revestidos con placa deacero corrugada, yeso o OSB .Xuhong et al. (2006) [7] present un estudio experimental y

analtico de muros en marcos de acero revestidos con placas de yeso y/o OSB.

En este artculo se presentan los resultados de una investigacin que tuvo por objeto evaluarexperimentalmente el comportamiento a carga lateral cuasi-esttica de muros livianos a

escala natural compuestos de un entramado tpico de perfiles de acero de lmina delgada

(Lightweight Steel Framing) y, placas de ferrocemento y yeso. Las pruebas a carga lateralse realizaron de acuerdo con la norma ASTM E2126 [4], aplicando carga lateral

monotnica y cclica sobre las probetas. Con la informacin recopilada se realizan los

cmputos de los parmetros fundamentales de desempeo estructural del muro (resistencia,

rigidez y ductilidad) que son comparados con estudios previos.

2- Materiales y Mtodos:

2.1- Descripcin del prototipo.

La tipologa de muro liviano estudiado se compone de un ncleo o entramado de perfiles de

acero de lmina delgada sobre el cual se fija y/o aplica un recubrimiento laminado (figura

1-A). En particular, el muro presentado esta conformado por dos diagonales metlicas enuna de las caras junto a una placa de yeso de 12.7 mm de espesor (1/2 in) y una placa de

ferrocemento de 20 mm del otro costado.

A) Prototipo. B) Conexin de anclaje. C) Conector de Cortante.

Figura 1-Muro Liviano.


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Los muros presentan unas dimensiones estndar de 1.22 m x 2.44 m (ancho x altura) quecorresponden al formato comercial de la placa de yeso. La construccin del entramado

metlico se logra por el ensamble de dos secciones canales de 91 mm x 25 mm (altura del

alma x ancho del ala) dispuestas horizontalmente y cuatro parales de seccin C 90mm x

45mm (altura del alma x ancho del ala) orientados verticalmente, todos los elementos deespesor 0.85 mm (calibre 20). La unin entre estos se realiz mediante un tornillo cabeza

de lenteja #8 (dimetro 4.17 mm) en cada punto donde una de las aletas de la canal

intercepta la aleta de un paral.

A partir del marco metlico se instalan las dos diagonales compuestas de una platina de0.85 mm de espesor y 76 mm de ancho sobre uno de los lados. Finalmente las diagonales

son cubiertas con una placa de yeso fijada tanto a los parales de borde como en las canales

mediante tornillos #6 (dimetro 3.51 mm.) separados 127 mm y 254 mm en los paralesintermedios

Posteriormente se instala la conexin de anclaje (figura 1-B) a la cimentacin ubicada en

los parales extremos del muro. Estas se disearon para soportar las cargas reglamentadas

por el International Resident Code [2] y sugeridas por la FEMA-232 [8] para viviendasubicadas en zonas de amenaza ssmica alta.

Por ltimo, se fabrica en situ la placa de ferrocemento, iniciando por la instalacin de los

conectores de cortante compuestos de un tornillo cabeza hexagonal # 10 (dimetro 6 mm),

al cual se le adosa una arandela de 13 mm de dimetro en la parte superior (figura 1-C).Posteriormente se instala el refuerzo del ferrocemento compuesto por dos telas de mallas de

forma hexagonal de alambre galvanizado de alta resistencia a la corrosin (de dimetro 0.6

mm) con una separacin de 25 mm ( in) colocada en el centro del espesor de la placa.

Para la separacin de los conectores de cortante se selecciono de 150 mm tanto en losparales de borde como en las canales y de 300 mm a los parales intermedios, estos valores

son similares al normalizado para placas de yeso y madera, los cuales condicionan eldesempeo de los parales a compresin y satisfacen los requisitos de las normas AISI(1962) y AISI S211 (2007) [9].

2.2- Comportamiento de la conexin entre la placa y el perfil

Fiorino et al. (2006) [11] y Rodrguez & Navarro (2008) [10] estudiaron la rigidez a

cortante ante carga monotonica de las conexiones entre la placa y el perfil para diferentestipos de placa. El mecanismo de falla tpico inicia con la inclinacin del tornillo en la

conexin placa a perfil como se presenta en la figura 2-A, posteriormente falla delrecubrimiento por ensanchamiento de la perforacin (Figura 2-B) o rasgado de la placa

(figura 2-C).


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A) Inclinacin del

tornillo.B) Ensanchamiento de

la perforacin.C) Rasgado de la placa.

Figura 2-Falla tpica del conector placa a perfil.

Tomado de: Fiorino et al. (2006)

La relacin tpica entre fuerza-desplazamiento en las conexiones placa a perfil ante cargamonotnica se presenta en la figura 3-A, en esta se identifican claramente cuatro regiones.

En la regin I, la respuesta es inicialmente lineal, aqu los perfiles, el revestimiento y eltornillo se encuentran en el rango elstico. En la regin II es una curva no lineal

caracterstica, donde la no-linealidad se da debido a que la placa cruje y el tornillo se

inclina. En la regin III se presenta una meseta aproximadamente lineal producto del

aplastamiento de la placa en el punto de unin con el tornillo. Finalmente en la regin IV lacapacidad de carga decrece hasta alcanzar la falla por desprendimiento total entre el tornillo

y la placa.

A) Carga monotnica. B) Carga cclica

Figura 3-Relacin fuerza-desplazamiento tpica de la conexin placa a perfil.Tomado de: Judd (2005)


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En la figura 3-B se muestra el comportamiento a carga cclica de una conexin placa aperfil tpica, la caracterstica primaria de la grafica son ciclos de histresis muy cerrados,

comportamiento inelstico, y degradacin de la resistencia y rigidez.

Estos ciclos histerticos cerrados se presentan ya que el tornillo usado en la conexin o

conector de cortante se inclina (figura 4), posteriormente inicia un proceso de aplastamientolocal en la placa o agrietamiento (la placa emite un sonido) y si se cambia el sentido de

aplicacin de la carga, el tornillo se mover a travs de una ranura causada por el

aplastamiento de la placa, exhibiendo una baja rigidez y resistencia en la conexin hasta

entrar en contacto con la placa.

Figura 4-Deformacin Lateral de conexin placa a perfil

2.3- Descripcin del Ensayo

Para evaluar la respuesta estructural del muro liviano se ejecutaron ensayos controladosante carga lateral seudoesttica, obteniendo de forma explicita de las relaciones fuerza-

desplazamiento y el seguimiento del mecanismo de falla. Se construyeron tres espcimenesidnticos del prototipo, de los cuales uno se ensayo a carga monotnica y dos a cargascclicas con desplazamiento controlado.

Para los ensayos cclicos se utiliz un protocolo ISO 16670 descrito en la ASTM E2126

[4], que utiliza como parmetro el desplazamiento de referencia , estimado como el 60%

del desplazamiento mximo alcanzado por la probeta ante carga monotnica. Esteprotocolo consiste en ciclos de desplazamientos agrupados en fases de desplazamiento

incremental, la primera fase de desplazamientos consiste en cinco ciclos completos de

1.25%, 2.5%, 5%, 7.5%, y 10% del desplazamiento de referencia, posteriormente se aplicauna segunda fase de desplazamientos, en el cual cada uno contiene tres ciclos completos de

20%, 40%, 60%, 80%, 100%, y 120% del desplazamiento de referencia. Este protocolo decarga se presenta en la figura 5-B.

Los ensayos se realizaron en el marco de ensayos de la Universidad del Valle. Lainstrumentacin dispuesta para la medicin directa de datos sobre los muros consisti en un

conjunto de seis sensores de desplazamiento (LVDT) y una o dos celdas de carga segn el


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caso. La instrumentacin se coloco en puntos considerados relevantes para estudiar larespuesta local y global del sistema.

Se consider pertinente no aplicar cargas verticales en los muros simulando as una

condicin de flexin lateral mas critica, un esquema del montaje experimental se presenta

en la figura 5-A.

A)

Esquema de montaje experimental. B) Protocolo de carga

Fig. 5- Detalles del montaje y ensayo

2.4- Procesamiento de la Informacin.

Partiendo de los registros de carga lateral (FH) y desplazamiento superior (H) aplicados al

muro durante los ensayos cclicos se construyeron las curvas carga vs. desplazamiento decada prototipo, dentro de estas se observa la informacin de cada ciclo (figura 6-A) y se

puede apreciar el deterioro, estudiar la degradacin de la rigidez y determinar la resistencia

al cortante del muro entre otros parmetros.

Para la evaluacin de la rigidez y la fuerza al corte, y la ductilidad al desplazamiento, seutiliz la metodologa reglamentada en la ASTM E2126 [4] (aplicable nicamente a muros

con marcos de acero o madera arriostrados por placas y/o diagonales). El procedimiento

para el clculo de los parmetros de desempeo inicia con la construccin de dos curvas

envolventes tanto positivas como negativas de las curvas de histresis observadas en losensayos cclicos.

La primera de estas curvas llamada envolvente inicial que contiene los valores mximos

para cada fase de desplazamientos y la segunda nombrada como envolvente estabilizada se

construye a partir de valores de la carga mxima de dos ciclos sucesivos con la misma

amplitud cuyo valor no vara en ms de un 5% entre ellos (Figura 6-A). De formaconservadora, en este trabajo se utilizaron los puntos de la curva envolvente estabilizada.

A partir de cada envolvente se genera una curva bilineal elsto-plstica de energa

equivalente (curva EEEP) que se muestra en la figura 6-B y se calculan las constantes:fuerza mxima absoluta (Pp), fuerza para el estado limite de falla (Pu), fuerza para el estado


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limite de fluencia (Py), y p, u, y que son los desplazamientos asociadas a lasrespectivas cargas. Con estas constantes se realiza el clculo de los parmetros de anlisis y

diseo:

Fuerza Cortante (Vp): Es la fuerza ltima resistida por el muro por unidad de longitud:

(N/m) (1)

Donde Pp es el valor absoluto de la carga mxima y L es la longitud del espcimen.

Modulo Secante al corte (G): Este representa la rigidez secante al corte del muro

normalizado con la relacin de aspecto (Altura/Longitud) del mismo.

(N/m) (2)

Donde P es la carga y es el desplazamiento asociado al valor de carga sobre la curva

envolvente, y H es la altura del espcimen. Este parmetro es computado para la carga de

fluencia es decir, representa la rigidez elstica equivalente (pendiente de la primera lnea dela curva EEEP).

Razn de ductilidad cclica (D): se calcula como la razn entre el desplazamiento ltimo

(u) y el desplazamiento de fluencia (yield). Este valor se computa para cada curva

envolvente y al final se promedian todos los valores de D.

L

PV Pp

LHPG

'


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A) Curvas.

Tomado de: Vagh et al. (2000)

B) Envolventes.

Tomado de: ASTM E2126 (2008)

Figura 6-Ejemplo de Curvas de Histresis y Envolventes.

Mayores detalles sobre el clculo de los parmetros pueden ser consultados en la normaASTM E2126 [4] y son ampliamente descritos en la investigacin de Vagh et al. [5].

3- Resultados y conclusiones

3.1- Resultados

En la figura 7-A se presente el resultado del ensayo monotnico. Para la curva de

desplazamiento lateral se acompaa de la secuencia del mecanismo de falla, la figura 7-Bpresenta una forma escalonada debido a la sensibilidad del elemento de medicin y a la

friccin entre el Lvdt y la cimentacin del prototipo. Como se observa el comportamientodel muro es similar al comportamiento de la conexin entre la placa y el perfil.

A- Carga vs Deriva B- Carga vs levantamiento del paral

Figura 7-Curva de carga ensayo monotnico.


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En la figura 8 se muestra la ubicacin y las imgenes de los daos en el espcimen, durantela prueba, al fallar los conectores entre las placas y los perfiles (o conectores de cortante) se

generaba un ruido audible. Las diagonales no presentaron dao alguno.

A- Ubicacin B- Desgarre

tipico deconectores

C- Desgarre

tipico de laplaca

D- Pandeo del

Paral en

compresin.

Figura 8-Daos en ensayo monotnico.

Las curvas de histresis se presentan en la figura 9 para las dos probetas, en la figura 10 semuestran las respectivas envolventes estabilizadas tanto positivas como negativas junto al

resultado del ensayo monotnico.

A- Probeta 1. B- Probeta 2.

Figura 9-Curva de carga lateral vs deriva para ensayos cclicos.

D

B & C


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Se observa una diferencia importante en el comportamiento de los dos ejemplares y losciclos no son simtricos aun para la misma probeta. El mecanismo de dao durante los

ensayos cclicos es similar al presentado durante el ensayo monotnico.

Figura 10-Curvas envolventes estabilizadas para ensayos cclicos y curva monotnico.

La probeta numero dos presenta una buena simetra entre la curva envolvente positiva

como negativa y la rigidez inicial es similar a la encontrada en el ensayo monotnico, lo

cual es una muestra de convergencia en los resultados.

Aunque los muros livianos al superar una deriva del 0.5% experimentan perdida decapacidad de carga lateral, para el desplazamiento mximo del protocolo de carga cclico

inducido (deriva de 1.25% o 12.2 mm.) que representa un sismo probable de gran magnitud

ambos espcimenes no colapsaron, como en el ensayo monotnico.

Los valores de rigidez y fuerza al corte, y la ductilidad al desplazamiento de cada muro se

presenta en la figura 11 junto a los resultados reportados en el Internacional Building Code

(IBC) Table 2211.1(3) [2] y por Vagh et al. [5], en muros livianos con placas de plywood

(Madera contrachapada) o OSB (Tableros de fibra de madera orientada) en una de las carasy placa de yeso en la otra.


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A- Fuerza Cortante. B- Modulo Secante al corte.

C- Razn de ductilidad cclica.

Figura 11-Valores de parmetros estructurales.

El valor promedio de los parmetros calculados para las probetas sometidas a carga cclica

y la respectiva desviacin estndar se presentan en la tabla 4.1. En esta, se observa una

desviacin considerable en los parmetros de rigidez y ductilidad que ha sido reportada enel estudio realizado por Vagh et al [5].

Vp G DKN/m KN/m

Promedio 8.31 1.76 2.75

Desv Est. 8.6% 26.1% 20.0%

Tabla: 4.1 Valores promedio y desviacin estndar de los parmetros.


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3.2- Conclusiones.

1.

En los ensayos cclicos, los valores de fuerza cortante del muro son similares a losreportados en los diferentes estudios, al igual que el modulo secante al corte. Por lo

cual, el sistema propuesto es viable para la construccin de viviendas similares a las

elaboradas en muros livianos revestidos con placas de Madera o Yeso.2. De acuerdo con las curvas envolventes experimentales, se propone como deriva

igual al 0.5% de la altura entre piso para los muros livianos en ferrocemento,

garantizando que los muros no superen el valor de carga mxima.3. La razn de ductilidad critica es inferior en todos los casos a la reportada por el

estudio de Vagh et al. [5] lo cual se atribuye a que la conexin entre la placa de

ferrocemento y el entramado de perfiles es ms frgil que la empleada para unir lasplacas de madera. De acuerdo a lo anterior, para mejorar la ductilidad de los muros

livianos se recomienda aumentar la longitud del conector de cortante a una longitudcercana al espesor de la placa de ferrocemento. Debido a que en la presente

investigacin se utiliz una longitud igual a la mitad de sta para facilitar el procesode fijacin de la malla de refuerzo.

4. La diferencia en el comportamiento de los especmenes sujetos a ensayos ciclos y la

deviacin en los parmetros de desempeo calculados se asocia a los condiciones deensamble del muro tales como ajuste de los tornillos en la conexin de anclaje,

longitud de los conectores de cortante, tensin de las diagonales, variaciones en el

espesor de la placa de ferrocemento, entre otras.5. El comportamiento ante carga reversible de los muros livianos en ferrocemento se

caracteriz por ciclos de histresis muy cerrados, comportamiento inelstico y la

degradacin de la resistencia y rigidez que es generado por la baja ductilidad en laconexin de la placa al entramado. Lo anterior se basa en la similitud entre el

comportamiento no lineal del muro a carga lateral con el de la conexin entre placa

y el entramado sujeta a cortante. Esta tipo de comportamiento fue evidenciado

previamente por Vagh et al.[5] en muros livianos con placas de Madera.6. El muro liviano estudiado presenta un dao progresivo caracterstico, iniciando con

la falla de los conectores entre la placa y el entramado y finalizando con el pandeo

del paral de borde en compresin. La falla de los conectores se manifiesta congrietas localizadas en los puntos de conexin entre la placa y el entramado,

acompaados de un ruido que emiten las mismas. Adicionalmente es importante

resaltar que los muros estudiados no llegaron al colapso para el nivel de

desplazamiento aplicado por el protocolo de carga.


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3.3 Agradecimientos

Los autores expresan su agradecimiento a Perfilamos del Cauca S.A, a la Universidad delValle y a COLCIENCIAS, entidades financiadoras del proyecto Desarrollo de un sistema

industrializado de muros livianos para la construccin de vivienda.

4. Referencia bibliogrfica

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