Anclaje de rieles guía en condiciones sísmicas

Se examinan diversas soluciones de diseño.

Este trabajo fue presentado en  Madrid 2016, el Congreso Internacional de Tecnologías de Transporte Vertical, y publicado por primera vez en el libro de la IAEE Tecnología de ascensores 21, editado por A. Lustig. Es una reimpresión con permiso de la Asociación Internacional de Ingenieros de Ascensores.   (sitio web: www.elevcon.com).

Se requiere un diseño específico para condiciones sísmicas en un número creciente de campos de la construcción. Las placas de acero fundido conectadas a las barras de refuerzo antes de verter el hormigón se utilizan comúnmente en la actualidad para el anclaje. Los soportes de los rieles de guía están soldados a las placas de acero. Las soluciones de anclaje actualizadas para condiciones sísmicas utilizan insertos moldeados conectados a barras de refuerzo o anclajes post-instalados. En cada caso, los soportes de los rieles se fijan mediante pernos. El diseño de tales sistemas de anclaje sigue los estándares norteamericanos y europeos para condiciones sísmicas. Este artículo proporciona una introducción a las soluciones de anclaje para condiciones sísmicas, además de las aprobaciones específicas y el enfoque de diseño necesarios para cumplir con estas aprobaciones.

Ahora que los códigos de construcción y las regulaciones de construcción apropiados han mejorado significativamente la resistencia y estabilidad de las estructuras con respecto a los terremotos, existe una creciente demanda de diseño resistente a los sismos que se utilizará para las fijaciones de anclaje incorporadas en elementos no estructurales de los edificios. Además de los terremotos mayores y moderadamente severos que tienen lugar en las regiones sísmicas “clásicas”, con fallas estructurales espectaculares y reportadas en consecuencia en los medios de comunicación, incidentes menores ocurren regularmente en muchas partes del mundo.

En todo el mundo, el impacto económico y social de la falla de los sistemas de suministro de energía o agua y las redes de telecomunicaciones o transporte como resultado de terremotos menores alcanza niveles similares, o posiblemente incluso superiores, a los costos y las dificultades resultantes del daño o la destrucción de edificios. y estructuras en terremotos localmente severos.

Una vez que se ha construido una estructura de hormigón, se trabaja para instalar puntos de anclaje para elementos estructuralmente relevantes, así como para sujetar componentes o equipos estructuralmente irrelevantes en o sobre la estructura. Estos anclajes deben seleccionarse y diseñarse de tal manera que el costo de falla en caso de terremotos de la magnitud esperada se mantenga lo más bajo posible. Incluso en la etapa de planificación y especificación del edificio, también se debe dar la consideración correspondiente a los componentes no estructurales para que el contratista general correspondiente y los inspectores de construcción estén al tanto de los requisitos. Por tanto, no corresponde al subcontratista decidir si se deben tomar las disposiciones correspondientes en relación con los trabajos de instalación.

 Influencia de los terremotos

Los terremotos provocan una aceleración que conduce a un aumento a corto plazo muy rápido de las fuerzas que actúan sobre un anclaje. Estas fuerzas no solo son muchas veces mayores que cuando la estructura está en un estado estático, su dirección de acción también cambia rápidamente. Por tanto, el anclaje debe ser capaz de soportar cargas dinámicas. Las normas para anclajes de este tipo existen desde hace varios años. [3] Sin embargo, las grietas que aparecen en el hormigón como consecuencia de los terremotos son considerablemente mayores que el ancho de la grieta de 0.3 mm considerado en las normas para anclajes colocados en la zona de tracción del hormigón fisurado.

Debido a la deformación extremadamente plástica de la estructura de un edificio, especialmente en la zona de nodos de la estructura que actúan como juntas flexibles, pueden aparecer grietas con un ancho de varios milímetros. Los anclajes de los tipos actualmente en uso no están diseñados para continuar funcionando en grietas de este ancho y, por lo tanto, están sujetos a fallas. En consecuencia, la planificación debe garantizar que los anclajes en estructuras que puedan estar expuestas a terremotos no se coloquen en la proximidad de los nodos flexibles de la estructura.

Los anclajes de expansión mecánica instalados con una tensión preestablecida controlada (par controlado) y con la capacidad de aplicar muy rápidamente una expansión adicional posterior en caso de un aumento en el diámetro del orificio debido a la fisuración son generalmente adecuados para su uso en hormigón armado en el que la formación de grandes Es de esperar que se produzcan grietas como resultado de los terremotos. También son adecuados los anclajes que transfieren fuerzas al hormigón formando una sujeción con llave, como es el caso de los anclajes rebajados.

Ciertos tipos de anclajes químicos también han demostrado ser adecuados para su uso en componentes de hormigón sometidos a terremotos. Asimismo, los canales de anclaje conectados al refuerzo antes de verter el hormigón (también conocidos como “fundición”) son capaces de transferir fuerzas a la estructura de hormigón mediante una sujeción con llave. La Tabla 1 proporciona una evaluación aproximada de la idoneidad de los tipos de anclajes actuales para cargas sísmicas. El desempeño de los anclajes depende en gran medida del ancho de las grietas resultantes de los efectos de los terremotos. Esta clasificación se basa en una evaluación general y no en los resultados de pruebas especiales de tipos de anclaje individuales de acuerdo con los estándares de pruebas de idoneidad sísmica actuales. 

Además de las fuerzas de tracción que se producen debido a la alta aceleración de una estructura, las fuerzas de cizallamiento también se elevan a un nivel muchas veces superior a aquél para el que se diseñó el anclaje. Cuando esto sucede, se excede la fricción cohesiva que crea estabilidad entre la placa base de la estructura sujeta y la superficie del concreto, y el espacio anular entre el vástago del ancla y el perímetro del agujero permite el movimiento de la estructura hasta el punto en el que el vástago del ancla entra en contacto con el borde del agujero, lo que resulta en una sujeción positiva (Figura 3a).

Debido al rápido cambio de dirección de las fuerzas, este proceso puede repetirse en varias direcciones. Si una placa base está sujeta con varios anclajes, esto generalmente significa que solo algunos de los anclajes son capaces de proporcionar una sujeción positiva y que estos anclajes soportan toda la carga. La carga dinámica y las fuerzas pico extremadamente altas conducen a la falla de los anclajes o al fracaso del concreto cuando estos anclajes que soportan la carga cortante por medio de su sujeción positiva se colocan cerca del borde de un miembro de concreto (Figura 3b). Se puede evitar el movimiento y distribuir la carga cortante entre todos los anclajes que componen el anclaje si se rellena adecuadamente el espacio anular entre el vástago del ancla y el perímetro del agujero. Para ello, los fabricantes de anclajes han desarrollado arandelas especiales con aberturas que permiten inyectar mortero de anclaje adhesivo, que cura sin contracción, en el espacio anular. Estos sistemas forman parte integral de las normas europeas para el diseño de anclajes para uso donde se esperan influencias sísmicas.

Investigación sobre efectos sísmicos

Hasta hace solo unos años, se conocía poco en detalle sobre los efectos de los terremotos en los puntos de anclaje post-instalados en las estructuras de hormigón. Por esta razón, donde el acero se va a anclar al hormigón, la práctica estándar actual requiere que los anclajes que se sometan a la acción sísmica se instalen soldando las partes requeridas al refuerzo de acero. Esto se hace incorporando placas de acero fundido en la estructura de hormigón armado. Estas placas están expuestas en la superficie del hormigón en las posiciones de fijación requeridas. Si este tipo de fijaciones no se tienen en cuenta en la fase de planificación o se olvidan antes de verter el hormigón, el hormigón debe desprenderse posteriormente para dejar al descubierto las armaduras.

Mientras tanto, varias universidades de EE. UU. Han llevado a cabo un programa de investigación que permite una investigación exhaustiva y detallada del estrés de los componentes y equipos no estructurales instalados en edificios expuestos a terremotos durante un período de varios años. Para este propósito, se erigió una estructura de edificio de concreto reforzado de cinco pisos en la mesa vibradora independiente más grande del mundo en el Centro de Investigación de Ingeniería Estructural Englekirk en la Universidad de California, San Diego (UCSD). 

En las distintas plantas del edificio se instalaron sistemas de funcionamiento para el suministro de energía y agua, calefacción, aire acondicionado y telecomunicaciones, así como los equipos necesarios en las unidades de cuidados intensivos hospitalarios y quirófanos. Los pisos estaban conectados por una escalera de acero y un ascensor en funcionamiento. Hasta 40 empresas de las industrias asociadas han apoyado el proyecto. Para los anclajes se utilizaron productos y sistemas Hilti.

En abril y mayo de 2012, el edificio fue sometido a choques simulando las mediciones obtenidas de los terremotos más violentos experimentados en los últimos años. La mesa vibradora se utilizó para simular eventos sísmicos de magnitud 6.7, como los registrados en Northridge, California, en 1994, hasta terremotos de magnitud 8.8, como el experimentado en Chile en 2010. El comportamiento del edificio y las cargas a las que fue sometido el equipo instalado durante la simulación fueron registradas por un sistema de posicionamiento global, más de 80 cámaras digitales y hasta 500 sensores instalados en el edificio. Los resultados se han utilizado para confirmar y optimizar los estándares estadounidenses y europeos para el diseño y selección de sistemas de anclaje resistentes a los sismos para su uso en estructuras de hormigón.

Regulaciones sísmicas de EE. UU. Y Europa

El diseño y la selección correctos de un anclaje para usar en un miembro de concreto existente comienza con la definición de las fuerzas que actuarán sobre él. En los EE. UU., El procedimiento para la definición de las fuerzas esperadas como resultado de un terremoto se basa en la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles (ASCE) 7, mientras que la determinación del rendimiento de un ancla bajo influencia sísmica se basa en American Concrete Institute (ACI) 318, Apéndice D para anclajes mecánicos y ACI 308 para anclajes químicos. La documentación técnica (informe del Servicio de Evaluación ICC) preparada en base a los estándares de prueba y los criterios de aprobación mencionados anteriormente proporciona una base sólida para el diseño y la selección correctos del anclaje.

 La norma europea adopta el mismo enfoque. En este caso, las fuerzas que actúan durante los terremotos se definen en EN 1998: 2004 (Eurocódigo 8). Hasta que entre en vigor la EN 1992-4, que se esperaba para finales de 2016, la norma para el diseño y selección de anclajes antisísmicos para estructuras de acero sobre hormigón está establecida por la Organización Europea de Aprobaciones Técnicas (EOTA) TR 045. Esta directriz técnica está alineada con las Directrices de aprobación técnica europea (ETAG) 001 Anexo E, que define las pruebas y la determinación de los datos de rendimiento para anclajes sometidos a esfuerzos sísmicos y proporciona documentación al respecto en los informes ETA. Las normas europeas para el diseño de un anclaje para su uso en componentes de hormigón existentes expuestos a esfuerzos sísmicos están, por tanto, bien coordinados.

La Tabla 2 proporciona una descripción general de cómo se aplican las pautas y estándares mencionados. Las pautas de diseño que se presentan aquí representan el estado actual de la técnica para las pruebas y el diseño de anclajes bajo la influencia de la acción sísmica. Prácticamente todos los países del mundo basan su normativa en el diseño de anclajes antisísmicos en una de estas dos normas.

 Definición de carga sísmica

El punto de partida para la definición de acciones sísmicas es el espectro de diseño sísmico. En los EE. UU., Se ha aprobado una categoría de diseño sísmico (SDC) y el espectro de diseño sísmico se obtiene del máximo mapeado (período corto, 0.2 s.) Y 1.0-s. período de aceleración. En Europa, sin embargo, el peligro sísmico se define por la aceleración máxima del suelo y no se ha establecido ningún SDC. Sin embargo, existe una definición clara de sismicidad baja y muy baja basada en la aceleración del terreno de diseño y, en el caso de sismicidad muy baja, no es necesario observar disposiciones sísmicas específicas.

La influencia del tipo de suelo se considera en ambos códigos mediante un coeficiente de sitio, que se basa en clasificaciones de suelo coincidentes, teniendo en cuenta los límites de velocidad de las ondas de corte y las descripciones del suelo. Con base en el riesgo de un comportamiento sísmico posiblemente inadecuado, la categorización de los edificios se realiza de la misma manera por ambos códigos, y el factor de importancia correspondiente se asigna con valores similares (aunque en una fase diferente del flujo de diseño).

Teniendo en cuenta los puntos mencionados anteriormente, se espera que las ecuaciones utilizadas para derivar el espectro de diseño sísmico difieran entre los códigos, pero, cuando se consideran clases de importancia y tipos de suelo equivalentes, la forma resultante y la aceleración espectral son muy similares. En términos simples, se puede decir que, matemáticamente, los dos códigos solo apuntan a diferentes coordenadas del espectro de diseño. Tenga en cuenta que el espectro de respuesta de diseño, de acuerdo con ASCE 7, no tiene en cuenta la importancia del edificio (esto se tiene en cuenta en el diseño más adelante) y, en consecuencia, la comparación se realizó tomando el espectro resultante en cuenta, escalada en consecuencia por este factor.

También se estableció una comparación entre el esfuerzo cortante sísmico de base utilizando EN 1998-1: 2004 y la ASCE 7. Al evaluar las diferentes expresiones, así como algunas aplicaciones prácticas de los códigos, podemos concluir que los valores son decididamente coincidentes. Trabajando a partir de la fuerza cortante de la base sísmica, se pueden utilizar varios métodos bien conocidos para determinar la carga que actúa en cada nivel de la estructura.

En consecuencia, al comparar los espectros de diseño sísmico resultantes con clases de importancia y tipos de suelo equivalentes (siendo S el factor de suelo), es posible correlacionar la clasificación de sismicidad europea con la categoría de diseño sísmico de EE. UU.

La única, pero importante, excepción a la Tabla 3, en el caso de un edificio de clase de importancia IV y una clasificación de sismicidad baja o superior a la categoría de diseño sísmico correspondiente, es C o superior. Esto significa que en los casos en que los edificios puedan representar un peligro sustancial para el medio ambiente o la comunidad en caso de falla (por ejemplo, hospitales, estaciones de bomberos, plantas de energía), el diseño debe tener en cuenta todas las disposiciones específicas para casos sísmicos.

Resistencia al diseño sísmico del ancla

Las disposiciones para el diseño de anclajes sísmicos son provistas por ACI 318 Apéndice D o la reciente EOTA TR 045. Ambas regulaciones de diseño trabajan con el método de capacidad de concreto (CC) para calcular las resistencias características de las fijaciones. Las diferencias entre los códigos se producen en los supuestos básicos para las ecuaciones de diseño, que parcialmente dan como resultado diferentes factores. De acuerdo con el método CC, las resistencias de diseño se calculan para carga de tracción y carga de corte, teniendo en cuenta todos los posibles modos de falla.

Todos los conceptos de seguridad discutidos aquí calculan la resistencia y las acciones basadas en factores de seguridad parciales. El principal requisito para el diseño que utiliza los códigos discutidos es que la acción factorizada E sea menor o igual que la resistencia factorizada R (Ecuación 1). Todos los códigos factorizan la acción característica Ek con factores de seguridad parciales γ (Ecuación 2).

 E_d ≤R_d                                             (Ecuación 1)

 E_d = E_k ∙ γ (Ecuación 2)

Para la resistencia característica, existe una diferencia conceptual, ya que los códigos europeos dividen la resistencia característica Rk por un factor de seguridad parcial γ (Ecuación 2.3), mientras que los códigos estadounidenses calculan la resistencia característica Rk con un factor de reducción de resistencia γ (Ecuación 2.4). El efecto de estos factores, sin embargo, es el mismo: reducir el valor característico al nivel de diseño. La resistencia de diseño Rd es generalmente muy similar para todos los modos de falla evaluados independientemente del código adoptado.

 R_d ≤R_k / γ (3)

 R_d = Φ ∙ R_k                                      (4)

según el new Europeuna guía de diseño EOTA TR045, el diseño incorpora tres enfoques, que se describen a continuación. Tenga en cuenta que estos tres enfoques de diseño son aceptables dentro de sus condiciones de aplicación. La Tabla 4 proporciona una descripción general de estas diferentes opciones de diseño.

Tenga en cuenta que ACI 318 también considera tres enfoques de diseño que son conceptualmente los mismos que los presentados por EOTA TR 045. La principal diferencia, que sin embargo tiene la misma intención de fondo, proviene del hecho de que el "diseño elástico" definido según la directriz europea adopta un enfoque diferente en las regulaciones de EE. UU. En ACI 318, esta opción de diseño toma en cuenta las cargas resultantes de un diseño sísmico regular (no elástico) e introduce un factor de reducción (recomendado como 0.4) que se aplicará directamente a todos los modos de falla del concreto. 

Evaluación del desempeño sísmico del ancla

Se deben considerar tres pautas básicas diferentes para la prueba de fijaciones en hormigón. En los EE. UU., ACI 355.2 cubre la prueba de anclajes mecánicos post-instalados bajo carga estática y sísmica y prescribe programas de prueba y requisitos de evaluación para anclajes mecánicos post-instalados para uso en concreto bajo las disposiciones de diseño de ACI 318. Esta guía forma el base para los criterios de aceptación (AC) 193 y AC 308 por el International Code Council (ICC). Mientras que AC 193 cubre las pruebas de anclajes mecánicos, AC 308 cubre las pruebas y el diseño de anclajes adhesivos.

Con respecto a los principales procedimientos de prueba, los anclajes se instalan en una grieta cerrada que luego se abre a un ancho de 0.5 mm. Los anclajes bajo prueba se someten luego a las cargas variables sinusoidales especificadas utilizando una frecuencia de carga de entre 0.1 y 2 Hz. La carga sísmica máxima de prueba de tensión y corte es igual al 50% de la capacidad media en concreto fisurado de las pruebas de referencia.

Después de que se hayan ejecutado los ciclos de carga de tracción sísmica simulada y carga de corte sísmico, los anclajes se someten a prueba de falla bajo carga de tracción estática y corte estático. La tensión residual media y las capacidades de corte deben evaluarse de acuerdo con los límites definidos en la directriz.  

En Europa, ETAG 001 es aplicable para la prueba de anclajes mecánicos post-instalados (partes 1-4) y anclajes adheridos (parte 5). La precalificación sísmica de los anclajes ha sido regulada en Europa desde la publicación de ETAG 001 Anexo E en el primer semestre de 2013. Se presentan dos programas de prueba diferentes para evaluar la idoneidad del ancla para la carga sísmica, lo que resulta en dos categorías de desempeño sísmico, como sigue:

Categoría sísmica C1: similar al procedimiento de precalificación sísmica de EE. UU. Y solo apto para aplicaciones no estructurales.

Categoría sísmica C2: Ensayo de movimiento de grietas sísmicas muy exigente para la clasificación de un anclaje como adecuado para aplicaciones estructurales y no estructurales.  

Si bien la categoría sísmica C1 es idéntica al procedimiento de precalificación sísmica de EE. UU., La categoría sísmica C2 implica un conjunto de pruebas de carga sísmica y / o ciclo de fisuras considerablemente más exigentes, especialmente considerando que para la evaluación del desempeño sísmico bajo carga de tracción, uno de los Las pruebas implican ciclar las grietas hasta un ancho de 0.8 mm.

En términos prácticos, de acuerdo con EOTA TR045 y para ag ∙ S superior a 0.05 g, los anclajes destinados a conexiones entre elementos estructurales de elementos sísmicos primarios o secundarios deben cumplir siempre con la categoría sísmica C2. Para los anclajes utilizados para la fijación de elementos no estructurales donde la aceleración ag ∙ S está entre 0.05 y 0.10 g, se pueden utilizar elementos de la categoría sísmica C1. Tenga en cuenta que estas son recomendaciones genéricas que los estados miembros pueden ajustar localmente.

Regulaciones sísmicas de EE. UU. Y Europa para canales de anclaje empotrados

Se dispone de información mucho menos detallada sobre el comportamiento de los canales de anclaje empotrados bajo la influencia de la acción sísmica que para los anclajes post-instalados en hormigón. De la misma manera que los anclajes post-instalados en concreto, los estándares y regulaciones han sido aplicables en los EE. UU. Desde octubre de 2015 con respecto al diseño y selección de canales de anclaje empotrados para aplicaciones de carga sísmica.

ASCE 7 basa el enfoque para la definición en las fuerzas esperadas como resultado de los efectos de la acción sísmica. El rendimiento de un canal de ancla empotrado bajo la influencia de un terremoto debe determinarse sobre la base de la CA 232, Apéndice A, aprobado en octubre de 2015, y los informes de evaluación de la CCI, respectivamente. Los datos de rendimiento (informes ICC-ES) preparados sobre la base de los estándares de prueba y los criterios de aprobación mencionados aquí proporcionan una base sólida para el diseño y la selección correctos del anclaje.

Conclusiones

Existen pautas y estándares completos en los EE. UU. Y en Europa para el diseño y selección de anclajes resistentes a terremotos en concreto que consisten en anclajes post-instalados. Si bien estos estándares que también cubren los canales de anclaje incorporados se han aplicado en los EE. UU. Desde octubre de 2015, Europa todavía está trabajando para lograr este objetivo. Los ingenieros y planificadores ahora pueden orientarse hacia estos estándares y pautas al especificar anclajes resistentes a los terremotos para su uso en concreto.

Los fabricantes de anclajes post-instalados y canales de anclaje empotrados para su uso en hormigón son ahora responsables de garantizar que sus productos se prueben sobre la base de las normas y directrices para la prueba de dichos anclajes bajo tensión sísmica y que la documentación técnica correspondiente sea redactado o, alternativamente, que se desarrollen nuevos productos que cumplan con estas normas.

Hilti ha jugado un papel pionero en el esfuerzo cooperativo para la preparación de estándares sísmicos, así como el desarrollo de productos adecuados y la producción de la documentación técnica adecuada. Ya se han obtenido las aprobaciones ETA para la categoría sísmica C2 para el sistema de anclaje químico HIT-HY200 de Hilti junto con las varillas de anclaje HIT Z, así como para los anclajes mecánicos HST. A principios de 2016, los canales de anclaje Hilti HAC, junto con los pernos de canal Hilti HBC-C, son los únicos productos disponibles en el mercado para los que se han obtenido datos de rendimiento técnico para el diseño y selección de anclajes expuestos a la acción sísmica de acuerdo con AC 232. disponible en un informe ICC-ES.

Referencias
[1] Segunda Conferencia Europea de Ingeniería Sísmica y Sismología, Estambul 2.
[2] Gramaxo, J., Ural, M., N.ew Europeun Reglamento Sísmico para la Calificación y Diseño de Anclajes Post-Instalados, Elevcon 2006: Tecnología de Elevadores 16.
[3] Merz, M., Diseño dinámico para anclajes de ascensores en edificios, 2006.
[4] American Concrete Institute, AC232, Criterios de aceptación para canales de anclaje en elementos de hormigón, 2015.
[5] ICC Evaluation Service, Inc., AC232, Criterios de aceptación para canales de anclaje en elementos de hormigón, 2015.