Una riostra restringida por pandeo (BRB) es una riostra estructural en un edificio, diseñada para permitir que el edificio resista cargas laterales cíclicas, típicamente cargas inducidas por terremotos. Consiste en un núcleo de acero delgado, una carcasa de hormigón diseñada para soportar continuamente el núcleo y evitar el pandeo bajo compresión axial , y una región de interfaz que evita interacciones no deseadas entre los dos. Los marcos arriostrados que utilizan BRB, conocidos como marcos arriostrados con control de pandeo , o BRBF, por sus siglas en inglés, tienen ventajas significativas sobre los marcos arriostrados típicos. [1]
El concepto de BRB fue desarrollado en Japón por Nippon Steel a finales de la década de 1980 [2] y era conocido por su nombre comercial Unbonded Brace. Se instaló por primera vez en Estados Unidos en 1999, en el Edificio de Ciencias Vegetales y Ambientales de UC Davis . [3] En 2002, se incorporaron CoreBrace LLC y Star Seismic LLC, [4] [5] y comenzaron a competir con Nippon en el mercado de diseño BRB. Actualmente el uso de BRB es aceptado, con su diseño regulado en las normas vigentes, en todo el mundo.
Los tres componentes principales de un BRB que se pueden distinguir son su núcleo de acero, su capa que evita la adherencia y su carcasa.
El núcleo de acero está diseñado para resistir toda la fuerza axial desarrollada en el arriostramiento. Su área de sección transversal puede ser significativamente menor que la de los tirantes normales, ya que su rendimiento no está limitado por el pandeo. El núcleo consta de una longitud media que está diseñada para ceder de forma inelástica en caso de un terremoto de nivel de diseño y longitudes rígidas que no ceden en ambos extremos. El aumento del área de la sección transversal de la sección no flexible garantiza que permanezca elástica y, por lo tanto, la plasticidad se concentra en la parte media del núcleo de acero. Esta configuración proporciona una alta confianza en la predicción del comportamiento y fallo del elemento.
La capa que impide la adherencia desacopla la carcasa del núcleo. Esto permite que el núcleo de acero resista toda la fuerza axial desarrollada en el arriostramiento, tal como está diseñado.
La carcasa, a través de su rigidez a la flexión , proporciona soporte lateral contra el pandeo por flexión del núcleo. Por lo general, está hecho de tubos de acero rellenos de hormigón. El criterio de diseño para la carcasa es proporcionar una restricción lateral adecuada (es decir, rigidez) contra el pandeo del núcleo de acero.
Debido a que los BRB logran un alto nivel de ductilidad y bucles de histéresis estables y repetibles , los BRB pueden absorber una cantidad significativa de energía durante cargas cíclicas, como un terremoto.
La prevención del pandeo conduce a un comportamiento dúctil y de resistencia similar en compresión y tensión, lo que ilustra la envolvente de las curvas de histéresis, también conocida como curva principal. Esta curva se considera una base importante del diseño práctico. Por lo tanto, el comportamiento cíclico beneficioso del material de acero se puede extrapolar a nivel de elemento y, por tanto, al nivel estructural general; Se puede diseñar una estructura extremadamente disipativa utilizando BRB.
Los resultados experimentales demuestran el comportamiento histerético dúctil, estable y repetible de las estructuras construidas con BRB. [6] [7] [8] Dependiendo de la configuración de los tirantes, los códigos de construcción en los Estados Unidos [9] permiten el uso de un factor de modificación de respuesta de hasta 8, que es comparable a los marcos especiales resistentes a momentos (SMRF); una mayor modificación de la respuesta se asocia con una mayor ductilidad y, por lo tanto, un mejor rendimiento posterior al rendimiento. Por lo tanto, la carga sísmica aplicada a la estructura se reduce eficientemente, lo que resulta en secciones transversales más pequeñas para las vigas y columnas de los marcos arriostrados, menores exigencias sobre las conexiones y, lo más importante, las cargas sobre los cimientos se reducen drásticamente.
El propósito de los arriostramientos restringidos por pandeo es disipar las fuerzas laterales de columnas y vigas. Por lo tanto, la conexión de las riostras a vigas y columnas puede afectar en gran medida el desempeño de las riostras en caso de un evento sísmico. Normalmente, la riostra se fija a una cartela, que a su vez está soldada a la viga y/o columna a la que se unirá la riostra. Normalmente se utilizan tres tipos de conexiones para los BRB:
Además del tipo de conexión, los detalles de la conexión también pueden afectar la transferencia de fuerzas a la riostra y, por tanto, su rendimiento final. Por lo general, la empresa de diseño de riostras especificará los detalles de conexión adecuados junto con las dimensiones de la riostra.
Los estudios comparativos, así como los proyectos de construcción completados, confirman las ventajas de los sistemas de pórticos arriostrados con control de pandeo (BRBF). [10] Los sistemas BRBF pueden ser superiores a otras estructuras disipativas comunes con respecto globalmente a la rentabilidad por las siguientes razones:
Los arriostramientos con restricción de pandeo tienen un comportamiento de disipación de energía que es mucho mejor que el de los marcos especiales con arriostrados concéntricos (SCBF). Además, debido a que su factor de comportamiento es mayor que el de la mayoría de los otros sistemas sísmicos (R=8), y los edificios generalmente se diseñan con un período fundamental aumentado, las cargas sísmicas suelen ser menores. Esto, a su vez, puede conducir a una reducción en el tamaño de los miembros (columnas y vigas), conexiones más pequeñas y simples y menores demandas de cimentación. Además, los BRB suelen ser más rápidos de montar que los SCBF, lo que supone un ahorro de costes para el contratista. Además, los BRB se pueden utilizar en modernización sísmica . Finalmente, en caso de un terremoto, dado que el daño se concentra en un área relativamente pequeña (el núcleo elástico de la riostra), la investigación y el reemplazo después del terremoto son relativamente fáciles. [11]
Un estudio independiente concluyó que el uso de sistemas BRBF, en lugar de otros sistemas sísmicos, produjo un ahorro de hasta $5 por pie cuadrado. [12]
Las riostras restringidas al pandeo dependen de la ductilidad del núcleo de acero para disipar la energía sísmica. A medida que el núcleo de acero cede, el material se endurece y se vuelve más rígido. Este endurecimiento por trabajo puede representar aumentos en la fuerza esperada de hasta 2 veces la fuerza de fluencia inicial. Este aumento de rigidez disminuye el período del edificio (anulando algunos de los aumentos iniciales) y aumenta la respuesta de aceleración espectral esperada que requiere cimientos y conexiones más fuertes.
Los tirantes restringidos contra pandeo dependen de la ductilidad y generalmente deben reemplazarse después de su uso durante un terremoto importante.
