Investigación en acero: Desarrollo de conexiones a momento en Chile*
América Latina y el Caribe se caracterizan por una urbanización consolidada, con un 79,5% de su población, en promedio, radicada en áreas urbanas. El principal desafío de la gestión urbana es mejorar la calidad de vida y lograr la sostenibilidad en las ciudades (CEPAL, 2016). En varios países de la región, los fenómenos naturales extremos como los terremotos, además de ocasionar riesgos para la vida y el bienestar de las personas, afectan directamente la economía y la infraestructura de sus centros urbanos.
Por consiguiente, un adecuado diseño sismorresistente resulta necesario para proyectar edificaciones menos vulnerables, resilientes, sostenibles y accesibles, con el fin de reducir de forma significativa el número de muertes, de personas afectadas y las pérdidas económicas luego de la ocurrencia de un terremoto, como lo establece el Objetivo 11 de la Agenda 2030 para el Desarrollo Sostenible de las Naciones Unidas (ONU, 2017).
De acuerdo con el reporte del Global Construction Perspectives & Oxford Economics de 2015, la construcción será probablemente uno de los sectores industriales más dinámicos dentro de los próximos quince años, un suceso crucial para la evolución de las sociedades. Como respuesta a las nuevas necesidades de progreso, la tendencia mundial es utilizar el acero estructural como material de construcción para edificaciones urbanas (edificios residenciales, de oficinas, hoteles, centros comerciales, estacionamientos, escuelas y hospitales) en las principales ciudades del mundo. De hecho, las estructuras de acero han sido siempre consideradas como una solución adecuada para construcciones en zonas de alta sismicidad (Giouncu, 2013).
Propiedades como resistencia, rigidez y ductilidad hacen del acero un material con mejor desempeño a través de todo el ciclo de vida de las edificaciones. Entre las fortalezas que brinda el acero estructural en la construcción de edificios frente a otros materiales, destacan la flexibilidad arquitectónica, mayor velocidad de construcción, reducción del peso de la estructura, así como empleo de mano de obra más especializada, siendo esto una relación directa con el aumento en la calidad y rentabilidad de la obra terminada.
Según datos de la Asociación Latinoamericana del Acero (Alacero), 51% del acero de la región se destina a la construcción. Sin embargo, a diferencia de otras regiones del planeta, el acero como material estructural se encuentra particularmente concentrado en el sector industrial minero y petrolero. En consecuencia, toda investigación que permita avanzar en el entendimiento de su comportamiento y la reducción de la vulnerabilidad sísmica en aplicaciones para edificaciones urbanas está directamente relacionado con el desarrollo productivo y social de nuestras ciudades.
Los sismos de Northridge (1994) y Kobe (1995) permitieron estudiar las deficiencias en el diseño sísmico de estructuras en acero, específicamente de sus conexiones. Los códigos de diseño vigentes en EEUU, contemplan el uso de conexiones debidamente certificadas y calificadas para su uso en zonas de elevada amenaza sísmica. Esto ha permitido la implementación confiable de sistemas estructurales en acero orientado a la ejecución de viviendas de interés social en América Latina. Como consecuencia, numerosas edificaciones han incorporado conexiones soldadas, las cuales, siempre tienen como desventaja la ejecución en terreno y su control de calidad, motivando la búsqueda de nuevas conexiones que permitan soluciones apernadas entre perfiles “wide-flange”, adaptadas a la práctica constructiva de la región.
En este sentido, en la Universidad de Chile se llevó a cabo una investigación numérica y experimental de uniones a momento entre perfiles I (“wide-flange”) usando perfiles T soldados, enmarcado en el proyecto FONDECYT N° 1140628, donde se logró caracterizar el desempeño de esta conexión. La conexión de tipo doble T cortada (DST: Double Split T), compuesta por dos perfiles T apernados llamados T-stubs, es una de las conexiones precalificadas incluida en las recomendaciones FEMA 350 y AISC 358-2016. Sin embargo, las investigaciones que avalan su uso se han llevado a cabo en T-stubs fabricados a partir de secciones laminadas, generando la necesidad de indagar más sobre T-stubs soldados, considerando que éstos presentan ventajas por sobre los laminados, en términos de mejor uso de material, libertad de dimensionamiento, y disponibilidad en Chile.
Como resultado, se obtuvo la caracterización de la conexión mostrando un desempeño favorable, cumpliendo con los requisitos y procedimientos establecidos en normas AISC, obteniendo:
1. Mayor libertad de dimensionamiento que resulta en un diseño más óptimo que cuando se utilizan perfiles laminados.
2. Un ensamblaje que no requiere soldaduras en obra, las cuales poseen una mayor dificultad para realizarse, suelen ser más costosas y requieren de personal calificado para su materialización, factores que pueden llegar a afectar su calidad.
Figura 1. Conexión DST
Figura 2. Conexión DST en fase experimental.
A partir de dicho estudio, una nueva propuesta de conexiones pretende abordar una caracterización más amplia de conexiones empleando columnas tubulares tipo Hollow Structural Sections, teniendo en cuenta la interacción entre carga axial y la resistencia a flexión biaxial que se presentan en este tipo de conexiones, así como el estudio de nuevos patrones o protocolos de carga considerando la flexión biaxial. En la actualidad, tales efectos no han sido incorporados en las disposiciones AISC-341 y AISC-358, las cuales representan los lineamientos a seguir en el diseño de edificaciones de acero en zona sísmica en la región.
Figura 3. Conexión a momento tipo EP-HSS
De esta forma, la actual línea de investigación espera dar respuesta confiable en términos probabilísticos cuantificando las incertidumbres que gobiernan los mecanismos de falla y la participación de los componentes de las conexiones, además del nivel de incidencia en el diseño de dichos componentes, con la firme convicción de que en Latinoamérica podemos aportar soluciones adaptadas a la práctica constructiva regional y la amenaza sísmica de la misma.
*Por: Eduardo Nuñez, Ph.D., Ricardo Herrera, Ph.D.
