Arriostramiento con restricción de pandeo

Un arriostramiento con restricción de pandeo (BRB, por sus siglas en inglés) es un elemento estructural de un edificio, diseñado para permitir que este soporte cargas laterales cíclicas, generalmente provocadas por terremotos. Consta de un núcleo de acero delgado, una carcasa de hormigón diseñada para soportar continuamente el núcleo y evitar el pandeo bajo compresión axial , y una zona de interfaz que impide interacciones indeseadas entre ambos. Los pórticos arriostrados que utilizan BRB —conocidos como pórticos arriostrados con restricción de pandeo o BRBF— presentan ventajas significativas sobre los pórticos arriostrados convencionales. ^{[ 1 ]}

El concepto de BRB fue desarrollado en Japón por Nippon Steel a finales de la década de 1980 ^{[ 2 ]} y se conocía por su nombre comercial Unbonded Brace. Se instaló por primera vez en Estados Unidos en 1999, en el Edificio de Ciencias Ambientales y de Plantas de la UC Davis . ^{[ 3 ]} En 2002, se constituyeron CoreBrace LLC y Star Seismic LLC, ^{[ 4 ] [ 5 ]} y comenzaron a competir con Nippon en el mercado del diseño de BRB. El uso de BRB está actualmente aceptado, y su diseño está regulado por las normas vigentes en todo el mundo.

Los tres componentes principales que se pueden distinguir de una barrera de contención reforzada son su núcleo de acero, su capa que impide la adherencia y su revestimiento.

El núcleo de acero está diseñado para resistir la fuerza de tensión axial total que se desarrolla en el arriostramiento. Su sección transversal puede ser significativamente menor que la de los arriostramientos convencionales, ya que su rendimiento no está limitado por el pandeo. El núcleo consta de una sección central diseñada para ceder inelásticamente en caso de un sismo de nivel de diseño y secciones rígidas e indeformables en ambos extremos. El aumento de la sección transversal de la sección indeformable garantiza que permanezca elástica, concentrando así la plasticidad en la parte central del núcleo de acero. Esta configuración proporciona una alta fiabilidad en la predicción del comportamiento y la falla 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 generada en el arriostramiento, tal como se diseñó.

El revestimiento, gracias a su rigidez a la flexión , proporciona soporte lateral contra el pandeo por flexión del núcleo. Generalmente está fabricado con tubos de acero rellenos de hormigón. El criterio de diseño para el revestimiento consiste en proporcionar una sujeción lateral adecuada (es decir, rigidez) contra el pandeo del núcleo de acero.

Debido a que los BRB alcanzan un alto nivel de ductilidad y bucles de histéresis estables y repetibles , pueden absorber una cantidad significativa de energía durante cargas cíclicas, como un terremoto.

La prevención del pandeo da como resultado una resistencia y un comportamiento dúctil similares en compresión y tracción, lo que ilustra la envolvente de las curvas de histéresis, también conocida como curva de soporte. Esta curva se considera una base importante para el diseño práctico. Por lo tanto, el comportamiento cíclico beneficioso del acero puede extrapolarse al nivel de elemento y, por ende, al nivel estructural general; mediante el uso de arriostramientos rígidos reforzados (BRB, por sus siglas en inglés), se puede diseñar una estructura extremadamente disipativa .

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 arriostramientos, 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 pórticos especiales resistentes a momento (SMRF); una modificación de respuesta más alta se asocia con una mayor ductilidad y, por lo tanto, un mejor desempeño posterior a la fluencia. De esta manera, 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 pórticos arriostrados, menores demandas en las conexiones y, lo más importante, las cargas en la cimentación se reducen drásticamente.

El propósito de los arriostramientos con restricción de pandeo es disipar las fuerzas laterales de columnas y vigas. Por lo tanto, la conexión de los arriostramientos a vigas y columnas puede afectar significativamente su desempeño en caso de un sismo. Generalmente, el arriostramiento se fija a una placa de unión , la cual, a su vez, se suelda a la viga o columna a la que se unirá. Habitualmente se utilizan tres tipos de conexiones para los arriostramientos con restricción de pandeo:

• Conexión soldada: el puntal se suelda completamente a la placa de refuerzo en obra. Si bien esta opción requiere horas de trabajo adicionales en obra, puede mejorar el rendimiento del puntal al optimizar el mecanismo de transferencia de fuerza y, potencialmente, permitir el uso de puntales de menor tamaño.
• Conexión atornillada: el refuerzo se atornilla a la placa de unión en obra.
• Conexión mediante pasador: tanto el puntal como la placa de refuerzo están diseñados para aceptar un pasador, que los conecta entre sí y permite la libre rotación. Esto puede resultar ventajoso para el ingeniero de diseño si necesita especificar una conexión de tipo pasador.

Además del tipo de conexión, los detalles de la misma también pueden afectar la transmisión de fuerzas al arriostramiento y, por lo tanto, su rendimiento final. Por lo general, la empresa de diseño de arriostramientos especificará los detalles de conexión adecuados junto con las dimensiones del arriostramiento.

Los estudios comparativos, así como los proyectos de construcción finalizados, confirman las ventajas de los sistemas de pórticos arriostrados con restricción de pandeo (BRBF). ^{[ 10 ]} Los sistemas BRBF pueden ser superiores a otras estructuras disipativas comunes en términos de rentabilidad global por las siguientes razones:

Los arriostramientos con restricción de pandeo presentan un comportamiento de disipación de energía mucho mejor que el de los pórticos arriostrados concéntricamente especiales (SCBF). Además, debido a que su factor de comportamiento es mayor que el de la mayoría de los demás sistemas sísmicos (R=8), y los edificios suelen diseñarse con un período fundamental mayor, las cargas sísmicas suelen ser menores. Esto, a su vez, puede conducir a una reducción en el tamaño de los elementos (columnas y vigas), conexiones más pequeñas y sencillas, y menores exigencias en la cimentación. Asimismo, los arriostramientos con restricción de pandeo suelen ser más rápidos de instalar que los SCBF, lo que supone un ahorro de costes para el contratista. Adicionalmente, los arriostramientos con restricción de pandeo pueden utilizarse en el reforzamiento sísmico . Finalmente, en caso de terremoto, dado que el daño se concentra en un área relativamente pequeña (el núcleo de fluencia del arriostramiento), la investigación y el reemplazo posteriores al terremoto son relativamente sencillos. ^{[ 11 ]}

Un estudio independiente concluyó que el uso de sistemas BRBF, en lugar de otros sistemas antisísmicos, produjo un ahorro de hasta 5 dólares por pie cuadrado. ^{[ 12 ]}

Los arriostramientos con restricción de pandeo se basan en la ductilidad del núcleo de acero para disipar la energía sísmica. A medida que el núcleo de acero cede, el material se endurece por deformación y se vuelve más rígido. Este endurecimiento por deformación puede representar un aumento en la fuerza esperada de hasta el doble de la fuerza de fluencia inicial. Esta mayor rigidez disminuye el período del edificio (contrarrestando parte de los aumentos iniciales) e incrementa la respuesta de aceleración espectral esperada , lo que requiere cimientos y conexiones más resistentes.

Los arriostramientos con restricción de pandeo dependen de la ductilidad y, por lo general, deben reemplazarse después de su uso durante un terremoto importante.

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• S. Hussain, PV Benschoten, MA Satari, S. Lin: Estructuras de pórticos arriostrados con restricción de pandeo: Análisis, diseño y problemas de homologación
• L. Calado, JM Proenca, A. Panao, E. Nsieri, A. Rutenberg, R. Levy: Prohitech WP5, Materiales y técnicas innovadoras, arriostramientos con restricción de pandeo
• Bonessio, N., Lomiento, G., Benzoni, G., (2011). Un modelo experimental de arriostramientos con restricción de pandeo para un diseño óptimo de rendimiento múltiple. Seismic Isolation and Protection Systems, Vol. 2, No. 1, pp.  75–90. doi : 10.2140/siaps.2011.2.75