revisión de los criterios de diseño de pernos de anclaje

160 Pages·2012·6.4 MB·Spanish

UNIVERSIDAD DE CHILE
FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL

REVISIÓN DE LOS CRITERIOS DE DISEÑO
DE PERNOS DE ANCLAJE

MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL

NICOLÁS ANDRÉS CHÁVEZ MERINO

PROFESOR GUÍA:
ALEJANDRO VERDUGO PALMA

MIEMBROS DE LA COMISIÓN:
RICARDO HERRERA MARDONES
MAXIMILIANO ASTROZA INOSTROZA

SANTIAGO DE CHILE
DICIEMBRE 2011
RESUMEN DE LA MEMORIA PARA OPTAR AL
TÍTULO DE INGENIERO CIVIL
POR: NICOLÁS CHÁVEZ M.
FECHA: 24/01/2012
PROF. GUÍA: Sr. ALEJANDRO VERDUGO P.

“REVISIÓN DE LOS CRITERIOS DE DISEÑO DE PERNOS DE ANCLAJE”

A lo largo de los años en que se ha utilizado la norma NCh 2369 Of. 2003 “Diseño sísmico de
estructuras e instalaciones industriales” para diseñar estructuras industriales en nuestro país, han
ocurrido varios terremotos, siendo el más reciente el ocurrido el 27 de febrero del 2010. Tras
estos terremotos, se han observado daños en los anclajes de algunas estructuras de acero, lo cual
motiva la realización de un estudio acerca de los criterios de diseño que actualmente dispone la
norma. Temas como la conveniencia de diseñar anclajes con fluencia temprana, la seguridad en el
reapretar tuercas de pernos que han fluido tras un sismo y la influencia del largo de los pernos de
anclaje en la respuesta de las estructuras son temas que se analizan en este trabajo.

Para ello, y a diferencia de cómo son modelados los apoyos en la práctica usual (perfectamente
empotrados o perfectamente rotulados), se modelaron dos estructuras (un marco rígido y uno
arriostrado) con apoyos que incorporan la no linealidad asociada a la fluencia de los pernos de
anclaje. Considerando cómo trabajan los anclajes en la realidad, estos apoyos rescatan el hecho
de que los pernos, una vez que han fluido, no trabajan sino hasta que se supere su deformación
remanente previa.

La modelación de los apoyos se construyó de tal manera que ésta quedara en función de
parámetros de diseño fáciles de manejar, como la tensión de fluencia, largo y diámetro de los
pernos de anclaje y la carga estática de las columnas de las estructuras. Con esto, se logra
modificar tanto la resistencia como la rigidez de los apoyos. Para ver cómo la variación de estos
parámetros afectaba la respuesta de ambas estructuras, los modelos de las estructuras fueron
sometidos a registros de terremotos de distintas características, como lo son el terremoto de 1985
(estación de Llolleo) y el terremoto de Kobe de 1995 en Japón (estación Takarazuka).

En ambas estructuras resultó más favorable limitar la fluencia de los pernos de anclaje, cosa
contraria a lo fomentado por la norma NCh 2369. Basado en lo anterior, se recomienda aumentar
el nivel de resistencia de los pernos, confiando la disipación temprana de energía no sólo en el
anclaje sino también en la estructura. Por otro lado, se observó que el largo de los pernos de
anclaje no influye significativamente en los esfuerzos de las estructuras y que anclajes con pernos
de un largo mayor consumían una menor parte de su capacidad de deformación, con lo que éstos
quedaban más lejos de alcanzar su nivel de rotura. Además, se estimó que pernos que presentan
deformaciones remanentes del orden de tres veces su diámetro (3d) han consumido una parte
mayor de su capacidad de deformación y que probablemente se rompan al someterse a un
siguiente sismo severo; el reapriete de las tuercas en estos casos puede ser una práctica insegura.
Por último, en marcos arriostrados el uso de bajas cargas estáticas origina un aumento relevante
de la carga axial por sismo, debido al “zapateo” excesivo en que incurre a estructura, por lo que
se recomienda el uso de cargas estáticas “equilibradas” que compensen este fenómeno sin
incrementar en demasía las cargas axiales en las columnas.
ii
AGRADECIMIENTOS:

Quisiera darles las gracias a todas las personas que con su ayuda y dedicación hicieron
posible este trabajo.

Agradecer a mi profesor guía Alejandro Verdugo por la buena disponibilidad y
paciencia que mostró conmigo para responder mis dudas y guiarme en el desarrollo de
esta tesis.

En forma especial agradezco a Joaquín Acosta. Su ayuda fue vital en el desarrollo de
esta memoria, ya que en forma desinteresada me instruyó en el uso del código de
OpenSees, siguió mi avance y me aportó con valiosos consejos.

Muchas gracias a mis amigos y familia por haberme apoyado durante toda mi carrera y
en especial a mi madre por toda su ayuda y cariño durante este proceso.

iii
ÍNDICE DE CONTENIDOS:

RESUMEN …………………………………………………………………………………... ii

AGRADECIMIENTOS …………………………………………………………………….. iii

ÍNDICE DE CONTENIDOS ……………………………………………………………...... iv

ÍNDICE DE FIGURAS ……………………………………………………………………... ix

ÍNDICE DE TABLAS ………………………………………………………………………. xviii

CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN ………………………………………………………… 1-1

1.1. Introducción General ………………………………………………………………… 1-1
1.2. Metodología …………………………………………………………………………....... 1-3
1.3. Objetivos ………………………………………………………………………………… 1-4

CAPÍTULO 2: ANTECEDENTES ………………………………………………………… 2-1

2.1. Antecedentes generales ………………………………………………………………… 2-1
2.2. Normas de diseño ……………………………………………………………………….. 2-3
2.2.1. NCh 2369 Of. 2003 ………………………………………………………………... 2-3
a) Materiales ……………………………………………………………………… 2-3
b) Anclajes ………………………………………………………………………… 2-4
2.2.2. Specification for Steel Buildings, AISC 360-05 …………………………………... 2-6
a) Materiales ……………………………………………………………………… 2-6
b) Pernos de anclaje ……………………………………………………………… 2-6
2.2.3. Seismic Provisions for Steel Buildings, AISC 341-05 …………………………...... 2-8
a) Resistencia axial requerida en base de columnas ……………………………. 2-8
b) Resistencia al corte requerida en base de columnas ………………………… 2-9
c) Resistencia al momento requerida en base de columnas ……………………. 2-10
d) Combinaciones de carga ………………………………………………………. 2-12
2.2.4. Eurocódigo ………………………………………………………………………… 2-13
2.3. Guías y prácticas de diseño …………………………………………………………….. 2-15
2.3.1. AISC Steel Design Guide 1: Base plate and anchor rod design, 2nd edition ……… 2-15
a) Materiales ……………………………………………………………………… 2-15
b) Diseño de pernos para cuando predominan cargas axiales ………………... 2-16
iv
c) Diseño de pernos para cuando predominan momentos pequeños ………….. 2-16
d) Diseño de pernos para cuando predominan momentos grandes ………….... 2-17
2.3.2. Práctica Japonesa …………………………………………………………………... 2-19
a) Rigidez rotacional y momento de diseño de la conexión en la base de la
columna …………………………………………………………………………… 2-19
b) Resistencia de la base de la columna y ductilidad de los pernos de anclaje .. 2-20
2.4. Artículos ………………………………………………………………………………… 2-23
a) Momento de fluencia, M ……………………………………………………. 2-23
ab y
b) Rigidez de flexión, K y K …………………………………………………… 2-23
b bst
c) Momento resistente debido a la compresión, M …………………………….. 2-24
n
2.5. Ensayos ………………………………………………………………………………….. 2-26

CAPÍTULO 3: MODELACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS …………………………….. 3-1

3.1. Descripción del modelo ………………………………………………………………… 3-1
3.1.1. Diseño de la estructura …………………………………………………………….. 3-2
3.1.2. Modelación de los elementos ……………………………………………………… 3-2
3.1.3. Modelación de los apoyos …………………………………………………………. 3-4
a) Marco rígido …………………………………………………………………… 3-5
b) Marco arriostrado ……………………………………………………………... 3-6
3.1.4. Alcances del modelo ……………………………………………………………….. 3-7
3.2. Variables a analizar …………………………………………………………………….. 3-9
3.3. Análisis conceptual ……………………………………………………………………... 3-10
3.3.1. Marco rígido ……………………………………………………………………….. 3-10
a) Caso F …………………………………………………………………………. 3-10
y
b) Caso N ………………………………………………………………………... 3-11
est
c) Caso L …………………………………………………………………………. 3-11
p
d) Caso d ………………………………………………………………………….. 3-12
p
3.3.2. Marco arriostrado ………………………………………………………………….. 3-13
a) Caso F …………………………………………………………………………. 3-13
y
b) Caso N ………………………………………………………………………... 3-13
est
c) Caso L …………………………………………………………………………. 3-14
p
3.4. Metodología ……………………………………………………………………………... 3-15

CAPÍTULO 4: RESULTADOS …………………………………………………………….. 4-1

4.1. Registro Llolleo …………………………………………………………………………. 4-2
v
4.1.1. Marco rígido ……………………………………………………………………….. 4-2
a) Caso F …………………………………………………………………………. 4-2
y
a.1) Apoyo …………………………………………………………………... 4-2
a.2) Pernos de anclaje ……………………………………………………… 4-2
a.3) Estructura ……………………………………………………………... 4-3
b) Caso N ………………………………………………………………………... 4-5
est
b.1) Apoyo ………………………………………………………………….. 4-5
b.2) Pernos de anclaje ……………………………………………………… 4-5
b.3) Estructura ……………………………………………………………... 4-5
c) Caso L …………………………………………………………………………. 4-7
p
c.1) Apoyo …………………………………………………………………... 4-7
c.2) Pernos de anclaje ……………………………………………………… 4-7
c.3) Estructura ……………………………………………………………... 4-7
d) Caso d …………………………………………………………………………. 4-9
p
d.1) Apoyo ………………………………………………………………….. 4-9
d.2) Pernos de anclaje ……………………………………………………… 4-9
d.3) Estructura ……………………………………………………………... 4-9
4.1.2. Marco arriostrado ………………………………………………………………….. 4-11
a) Caso F …………………………………………………………………………. 4-11
y
a.1) Apoyo …………………………………………………………………... 4-11
a.2) Pernos de anclaje ……………………………………………………… 4-11
a.3) Estructura ……………………………………………………………... 4-12
b) Caso N ………………………………………………………………………... 4-13
est
b.1) Apoyo ………………………………………………………………….. 4-13
b.2) Pernos de anclaje ……………………………………………………… 4-13
b.3) Estructura ……………………………………………………………... 4-13
c) Caso L …………………………………………………………………………. 4-14
p
c.1) Apoyo …………………………………………………………………... 4-14
c.2) Pernos de anclaje ……………………………………………………… 4-14
c.3) Estructura ……………………………………………………………... 4-14
4.2. Registro Kobe …………………………………………………………………………… 4-16
4.2.1. Marco rígido ……………………………………………………………………….. 4-16
a) Caso F …………………………………………………………………………. 4-16
y
a.1) Apoyo …………………………………………………………………... 4-16
vi
a.2) Pernos de anclaje ……………………………………………………… 4-16
a.3) Estructura ……………………………………………………………... 4-16
b) Caso N ………………………………………………………………………... 4-17
est
b.1) Apoyo ………………………………………………………………….. 4-17
b.2) Pernos de anclaje ……………………………………………………… 4-17
b.3) Estructura ……………………………………………………………... 4-17
c) Caso L …………………………………………………………………………. 4-18
p
c.1) Apoyo ………………………………………………………………….. 4-18
c.2) Pernos de anclaje ……………………………………………………… 4-18
c.3) Estructura ……………………………………………………………... 4-18
d) Caso d ………………………………………………………………………….. 4-18
p
d.1) Apoyo ………………………………………………………………….. 4-18
d.2) Pernos de anclaje ……………………………………………………… 4-18
d.3) Estructura ……………………………………………………………... 4-19
4.2.2. Marco arriostrado …………………………………………………………….......... 4-19
a) Caso F …………………………………………………………………………. 4-19
y
a.1) Apoyo ………………………………………………………………….. 4-19
a.2) Pernos de anclaje ……………………………………………………… 4-20
a.3) Estructura ……………………………………………………………... 4-20
b) Caso N ………………………………………………………………………... 4-20
est
b.1) Apoyo ………………………………………………………………….. 4-20
b.2) Pernos de anclaje ……………………………………………………… 4-21
b.3) Estructura ……………………………………………………………... 4-21
c) Caso L …………………………………………………………………………. 4-21
p
c.1) Apoyo ………………………………………………………………….. 4-21
c.2) Pernos de anclaje ……………………………………………………… 4-21
c.3) Estructura ……………………………………………………………... 4-22

CAPÍTULO 5: COMENTARIOS Y CONCLUSIONES …………………………………. 5-1

5.1. Modelo no lineal de sistema de anclaje ………………………………………………... 5-1
5.2. Fuerza de diseño de los pernos de anclaje …………………………………………….. 5-2
5.3. Longitud expuesta de los pernos de anclaje …………………………………………... 5-3
5.4. Acero de los pernos de anclaje ………………………………………………………… 5-4
5.5. Carga estática de la estructura ………………………………………………………… 5-4
vii
5.6. Recomendaciones para futuros estudios ……………………………………………… 5-5

CAPÍTULO 6: REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ……………………..…………….. 6-1

ANEXO A: RESULTADOS PARA MARCO RÍGIDO CON REGISTRO LLOLLEO .. A-1

A.1. Caso F …………………………………………………………….................................. A-1
y
A.2. Caso N ……………………………………………………………................................ A-6
est
A.3. Caso L …………………………………………………………….................................. A-11
p
A.4. Caso d …………………………………………………………….................................. A-16
p

ANEXO B: RESULTADOS PARA MARCO ARRIOSTRADO CON REGISTRO
LLOLLEO …………………………………………………………………………………… B-1

B.1. Caso F …………………………………………………………….................................. B-1
y
B.2. Caso N ……………………………………………………………................................ B-5
est
B.3. Caso L …………………………………………………………….................................. B-9
p

ANEXO C: RESULTADOS PARA MARCO RÍGIDO CON REGISTRO KOBE …….. C-1

C.1. Caso F …………………………………………………………….................................. C-1
y
C.2. Caso N ……………………………………………………………................................ C-6
est
C.3. Caso L …………………………………………………………….................................. C-11
p
C.4. Caso d …………………………………………………………….................................. C-16
p

ANEXO D: RESULTADOS PARA MARCO ARRIOSTRADO CON REGISTRO
KOBE ………………………………………………………………………………………… D-1

D.1. Caso F …………………………………………………………….................................. D-1
y
D.2. Caso N ……………………………………………………………................................ D-5
est
D.3. Caso L …………………………………………………………….................................. D-9
p

viii
ÍNDICE DE FIGURAS:

Figura 1.1: Daños en pernos de anclaje tras terremoto del 2010 ……………………..…… 1-2
Figura 2.1: Configuración de una conexión de placa base expuesta ………………….…... 2-1
Figura 2.2: Equilibrio de fuerzas en placa base ……………………………………….…... 2-2
Figura 2.3: Detalle de base de columnas ……………………………………………….…. 2-5
Figura 2.4: Mecanismos de transferencia de corte en base de columnas ………………..… 2-9
Figura 2.5: Ejemplos de bases rígidas para marcos rígidos ……………………………….. 2-11
Figura 2.6: Componentes de una base de columna típica …………………………………. 2-13
Figura 2.7: Anclaje de pernos en la fundación ..................................................................... 2-14
Figura 2.8: Diagrama de fuerzas para caso momento grande ……………………………... 2-18
Figura 2.9: Definición de distancias d y d ……………………………………………….. 2-20
t c
Figura 2.10: Largo efectivo del perno de anclaje ………………………………………..... 2-20
Figura 2.11: Método de diseño de la conexión de base de columnas en práctica japonesa .. 2-21
Figura 2.12: Ruta histerética en relación momento – curvatura de base de columna ……... 2-25
Figura 2.13: Relación momento – curvatura de base de columna ………………………... 2-25
Figura 2.14: Tensiones de fluencia y última en probetas de acero ASTM A36 …………... 2-26
Figura 2.15: Deformación unitaria a la rotura en probetas de acero ASTM A36 …………. 2-26
Figura 3.1: Estructuras a modelar ……………………………………………………….... 3-1
Figura 3.2: Relación fuerza – desplazamiento de ambas diagonales …………………….... 3-3
Figura 3.3: Relación fuerza – desplazamiento de una diagonal en cruz …………………... 3-4
Figura 3.4: Relación momento – rotación de apoyo modelado para marco rígido ………... 3-6
Figura 3.5: Relación fuerza axial – deformación de apoyo modelado para marco
arriostrado ………………………………………………………...………….. 3-7
Figura 3.6: Esquema de rotación de placa base ………………………………………….... 3-8
Figura 3.7: Curva momento – rotación de base (Caso F ) ………………………………… 3-10
y
Figura 3.8: Curva momento – rotación de base (Caso N ) ……………………………….. 3-11
est
Figura 3.9: Curva momento – rotación de base (Caso L ) ………………………………… 3-12
p
Figura 3.10: Curva momento – rotación de base (Caso d ) ……………………………….. 3-12
p
Figura 3.11: Curva fuerza – desplazamiento de base (Caso F ) …………………………... 3-13
y
Figura 3.12: Curva fuerza – desplazamiento de base (Caso N ) ………………………..... 3-14
est
Figura 3.13: Curva fuerza – desplazamiento de base (Caso L ) …………………………... 3-14
p
Figura 3.14: Registros utilizados ………………………………………………………….. 3-15
Figura A.1: Momento v/s giro de apoyo, Caso F ……………………………………….... A-1
y
Figura A.2: Momento v/s giro de apoyo, Caso F (Detalle) ………………………………. A-1
y
ix
Figura A.3: Giro de apoyo v/s tiempo, Caso F …………………………………………… A-1
y
Figura A.4: Momento de apoyo v/s tiempo, Caso F ……………………………………… A-1
y
Figura A.5: Tensión v/s deformación unitaria de pernos de anclaje, Caso F …………….. A-2
y
Figura A.6: Tensión v/s deformación unitaria de pernos de anclaje, Caso F (Detalle) …... A-2
y
Figura A.7: Deformación unitaria de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso F ……………... A-2
y
Figura A.8: Deformación absoluta de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso F …………….. A-2
y
Figura A.9: Tensión de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso F …………………………… A-3
y
Figura A.10: Carga axial de columnas v/s tiempo, Caso F ………………………………. A-3
y
Figura A.11: Corte de columnas v/s tiempo, Caso F ……………………………………... A-3
y
Figura A.12: Momento de columnas v/s tiempo, Caso F ………………………………… A-3
y
Figura A.13: Corte de vigas v/s tiempo, Caso F ………………………………………….. A-4
y
Figura A.14: Momento de vigas v/s tiempo, Caso F ……………………………………... A-4
y
Figura A.15: Desplazamiento de pisos v/s tiempo, Caso F ………………………………. A-4
y
Figura A.16: Drift entre cada piso v/s tiempo, Caso F …………………………………… A-4
y
Figura A.17: Drift total v/s tiempo, Caso F ………………………………………………. A-5
y
Figura A.18: Demanda de ductilidad en columnas, Caso F ……………………………… A-5
y
Figura A.19: Demanda de ductilidad en vigas, Caso F …………………………………... A-5
y
Figura A.20: Momento v/s giro de apoyo, Caso N ……………………………………… A-6
est
Figura A.21: Momento v/s giro de apoyo, Caso N (Detalle) ……………………………. A-6
est
Figura A.22: Giro de apoyo v/s tiempo, Caso N ………………………………………… A-6
est
Figura A.23: Momento de apoyo v/s tiempo, Caso N …………………………………… A-6
est
Figura A.24: Tensión v/s deformación unitaria de pernos de anclaje, Caso N ………….. A-7
est
Figura A.25: Tensión v/s deformación unitaria de pernos de anclaje, Caso N (Detalle) ... A-7
est
Figura A.26: Deformación unitaria de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso N …………... A-7
est
Figura A.27: Deformación absoluta de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso N ………….. A-7
est
Figura A.28: Tensión de pernos de anclaje v/s tiempo, Caso N ………………………… A-8
est
Figura A.29: Carga axial de columnas v/s tiempo, Caso N ……………………………... A-8
est
Figura A.30: Corte de columnas v/s tiempo, Caso N ……………………………………. A-8
est
Figura A.31: Momento de columnas v/s tiempo, Caso N ……………………………….. A-8
est
Figura A.32: Corte de vigas v/s tiempo, Caso N ………………………………………… A-9
est
Figura A.33: Momento de vigas v/s tiempo, Caso N ……………………………………. A-9
est
Figura A.34: Desplazamiento de pisos v/s tiempo, Caso N ……………………………... A-9
est
Figura A.35: Drift entre cada piso v/s tiempo, Caso N ………………………………….. A-9
est
Figura A.36: Drift total v/s tiempo, Caso N ……………………………………………... A-10
est
x