Inestabilidad de pórticos planos metálicos de edificación con inclusión de la flexibilidad de las uniones y elementos no prismáticos : un enfoque para la optimización

En esta tesis se aborda el problema de la modelización, análisis y optimización de pórticos metálicos planos de edificación frente a los estados límites último y de servicio. El objetivo general es presentar una técnica secuencial ordenada de optimización discreta para obtener el coste mínimo de pórticos metálicos planos de edificación, teniendo en cuenta las especificaciones del EC-3, incorporando las uniones semirrígidas y elementos no prismáticos en el proceso de diseño. Asimismo se persigue valorar su grado de influencia sobre el diseño final. El horizonte es extraer conclusiones prácticas que puedan ser de utilidad y aplicación simple para el proyecto de estructuras metálicas. La cantidad de publicaciones técnicas y científicas sobre la respuesta estructural de entramados metálicos es inmensa; por ello se ha hecho un esfuerzo intenso en recopilar el estado actual del conocimiento, sobre las líneas y necesidades actuales de investigación. Se ha recabado información sobre los métodos modernos de cálculo y diseño, sobre los factores que influyen sobre la respuesta estructural, sobre técnicas de modelización y de optimización, al amparo de las indicaciones que algunas normativas actuales ofrecen sobre el tema. En esta tesis se ha desarrollado un procedimiento de modelización apoyado en el método de los elementos finitos implementado en el entorno MatLab; se han incluido aspectos claves tales como el comportamiento de segundo orden, la comprobación ante inestabilidad y la búsqueda del óptimo del coste de la estructura frente a estados límites, teniendo en cuenta las especificaciones del EC-3. También se ha modelizado la flexibilidad de las uniones y se ha analizado su influencia en la respuesta de la estructura y en el peso y coste final de la misma. Se han ejecutado algunos ejemplos de aplicación y se ha contrastado la validez del modelo con resultados de algunas estructuras ya analizadas en referencias técnicas conocidas. Se han extraído conclusiones sobre el proceso de modelización y de análisis, sobre la repercusión de la flexibilidad de las uniones en la respuesta de la estructura. El propósito es extraer conclusiones útiles para la etapa de proyecto. Una de las principales aportaciones del trabajo en su enfoque de optimización es la incorporación de una formulación de elementos no prismáticos con uniones semirrígidas en sus extremos. Se ha deducido una matriz de rigidez elástica para dichos elementos. Se ha comprobado su validez para abordar el análisis no lineal; para ello se han comparado los resultados con otros obtenidos tras aplicar otra matriz deducida analíticamente existente en la literatura y también mediante el software comercial SAP2000. Otra de las aportaciones de esta tesis es el desarrollo de un método de optimización del coste de pórticos metálicos planos de edificación en el que se tienen en cuenta aspectos tales como las imperfecciones, la posibilidad de incorporar elementos no prismáticos y la caracterización de las uniones semirrígidas, valorando la influencia de su flexibilidad sobre la respuesta de la estructura. Así, se han realizado estudios paramétricos para valorar la sensibilidad y estabilidad de las soluciones obtenidas, así como rangos de validez de las conclusiones obtenidas. This thesis deals with the problems of modelling, analysis and optimization of plane steel frames with regard to ultimate and serviceability limit states. The objective of this work is to present an organized sequential technique of discrete optimization for achieving the minimum cost of plane steel frames, taking into consideration the EC-3 specifications as well as including effects of the semi-rigid joints and non-prismatic elements in the design process. Likewise, an estimate of their influence on the final design is an aim of this work. The final objective is to draw practical conclusions which can be handful and easily applicable for a steel-structure project. An enormous amount of technical and scientific publications regarding steel frames is currently available, thus making the achievement of a comprehensive and updated knowledge a considerably hard task. In this work, a large variety of information has been gathered and classified, especially that related to current research lines and needs. Thus, the literature collected encompasses references related to state-of-the-art design methods, factors influencing the structural response, modelling and optimization techniques, as well as calculation and updated guidelines of some steel Design Codes about the subject. In this work a modelling procedure based on the finite element implemented within the MatLab programming environment has been performed. Several keys aspects have been included, such as second order behaviour, the safety assessment against structural instability and the search for an optimal cost considering the limit states according to EC-3 specifications. The flexibility of joints has been taken into account in the procedure hereby presented; its effects on the structural response, on the optimum weight and on the final cost have also been analysed. In order to confirm the validity and adequacy of this procedure, some application examples have been carried out. The results obtained were compared with those available from other authors. Several conclusions about the procedure that comprises modelling, analysis and design stages, as well as the effect of the flexibility of connections on the structural response have been drawn. The purpose is to point out some guidelines for the early stages of a project. One of the contributions of this thesis is an attempt for optimizing plane steel frames in which both non-prismatic beam-column-type elements and semi-rigid connections have been considered. Thus, an elastic stiffness matrix has been derived. Its validity has been tested through comparing its accuracy with other analytically-obtained matrices available in the literature, and with results obtained by the commercial software SAP2000. Another achievement of this work is the development of a method for cost optimization of plane steel building frames in which some relevant aspects have been taken in consideration. These encompass geometric imperfections, non-prismatic beam elements and the numerical characterization of semi-rigid connections, evaluating the effect of its flexibility on the structural response. Hence, some parametric analyses have been performed in order to assess the sensitivity, the stability of the outcomes and their range of applicability as well.

Idoneidad del grado de rigidez de las uniones en pórticos metálicos de naves a dos aguas en edificación agroindustrial

Para el análisis de la respuesta estructural, tradicionalmente se ha partido de la suposición de que los nudos son totalmente rígidos o articulados. Este criterio facilita en gran medida los cálculos, pero no deja de ser una idealización del comportamiento real de las uniones. Como es lógico, entre los nudos totalmente rígidos y los nudos articulados existe una gama infinita de valores de rigidez que podrían ser adoptados. A las uniones que presentan un valor distinto de los canónicos se les denomina en sentido general uniones semirrígidas. La consideración de esta rigidez intermedia complica considerablemente los cálculos estructurales, no obstante provoca cambios en el reparto de esfuerzos dentro de la estructura, así como en la configuración de las propias uniones, que en ciertas circunstancias pueden suponer una ventaja económica. Del planteamiento expuesto en el párrafo anterior, surgen dos cuestiones que serán el germen de la tesis. Estas son: ¿Qué ocurre si se aplica el concepto de uniones semirrígidas a las naves industriales? ¿Existen unos valores determinados de rigidez en sus nudos con los que se logra optimizar la estructura? Así, surge el objetivo principal de la tesis, que no es otro que conocer la influencia de la rigidez de los nudos en los costes de los pórticos a dos aguas de estructura metálica utilizados típicamente en edificios de uso agroindustrial. Para alcanzar el objetivo propuesto, se plantea una metodología de trabajo que básicamente consiste en el estudio de una muestra representativa de pórticos sometidos a tres estados de carga: bajo, medio y alto. Su rango de luces abarca desde los 8 a los 20 m y el de la altura de pilares desde los 3,5 a los 10 m. Además, se considera que sus uniones pueden adoptar valores intermedios de rigidez. De la combinatoria de las diferentes configuraciones posibles se obtienen 46.656 casos que serán objeto de estudio. Debido al fin economicista del trabajo, se ha prestado especial atención a la obtención de los costes de ejecución de las diferentes partidas que componen la estructura, incluidas las correspondientes a las uniones. Para acometer los cálculos estructurales ha sido imprescindible contar con un soporte informático, tanto existente como de creación ex profeso, que permitiese su automatización en un contexto de optimización. Los resultados del estudio consisten básicamente en una cantidad importante de datos que para su interpretación se hace imprescindible tratarlos previamente. Este tratamiento se fundamenta en su ordenación sistemática, en la aplicación de técnicas estadísticas y en la representación gráfica. Con esto se obtiene un catálogo de gráficos en los que se representa el coste total de la estructura según los diferentes valores de rigidez de sus nudos, unas matrices resumen de resultados y unos modelos matemáticos que representan la función coste total - rigideces de nudos. Como conclusiones se puede destacar: por un lado que los costes totales de los pórticos estudiados son mínimos cuando los valores de rigidez de sus uniones son bajos, concretamente de 5•10³ a 10•10³ kN•m/rad; y por otro que la utilización en estas estructuras de uniones semirrígidas con una combinación idónea de sus rigideces, supone una ventaja económica media del 18% con respecto a las dos tipologías que normalmente se usan en este tipo de edificaciones como son los pórticos biempotrados y los biarticulados. ABSTRACT Analyzing for structural response, traditionally it started from the assumption that joints are fully rigid or pinned. This criterion makes the design significantly easier, but it is also an idealization of real joint behaviour. As is to be expected, there is an almost endless range of stiffnes value between fully rigid and pinned joints, wich could be adopted. Joints with a value other than traditional are referred to generally as semi-rigid joints. If middle stiffness is considered, the structural design becomes much more complicated, however, it causes changes in the distribution of frame stresses, as well as on joints configuration, that under certain circumstances they may suppose an economic advantage. Two questions arise from the approach outlined in the preceding subparagraph, wich are the seeds of the doctoral thesis. These are: what happens when the concept of semirigid joints is applied to industrial buildings? There are certain stiffness values in their joints with which optimization of frame is achieved? This way, the main objective of the thesis arise, which is to know the influence of stiffness of joints in the cost of the steel frames with gabled roof, that they are typically used in industrial buildings. In order to achieve the proposed goal, a work methodology is proposed, which consists in essence in a study of a representative sample of frames under three load conditions: low, middle and high. Their range of spans comprises from 8 to 20 m and range of the height of columns cover from 3,5 to 10 m. Furthermore, it is considered that their joints can adopt intermediate values of stiffness. The result of the combination of different configurations options is 46.656 cases, which will be subject of study. Due to the economic aim of this work, a particular focus has been devoted for obtaining the execution cost of the different budget items that make up the structure, including those relating to joints. In order to do the structural calculations, count with a computing support has been indispensable, existing and created expressly for this purpose, which would allows its automation in a optimization context. The results of the study basically consist in a important amount of data, whose previous processing is necesary. This process is based on his systematic arrangement, in implementation of statistical techniques and in graphical representation. This give a catalogue of graphics, which depicts the whole cost of structure according to the different stiffness of its joints, a matrixes with the summary of results and a mathematical models which represent the function whole cost - stiffness of the joints. The most remarkable conclusions are: whole costs of the frames studied are minimum when the stiffness values of their joints are low, specifically 5•10³ a 10•10³ kN•m/rad; and the use of structures with semi-rigid joints and a suitable combination of their stiffness implyes an average economic advantage of 18% over other two typologies which are used typically in this kind of buildings; these are the rigid and bi-articulated frames.

Experimental and Analytical Study of Masonry Infill Reinforced Concrete Frames Retrofitted with Steel Braces

In the present work a seismic retrofitting technique is proposed for masonry infilled reinforced concrete frames based on the replacement of infill panels by K-bracing with vertical shear link. The performance of this technique is evaluated through experimental tests. A simplified numerical model for structural damage evaluation is also formulated according to the notions and principles of continuum damage mechanics. The proposed model is calibrated with the experimental results. The experimental results have shown an excellent energy dissipation capacity with the proposed technique. Likewise, the numerical predictions with the proposed model are in good agreement with experimental results.

Steel profiles for repairing deteriorated timber beam ends

Se describe un procedimiento para la consolidación de viguetas de forjado de madera con deterioro en las cabezas mediante perfiles de acero conectados a la madera desde la cara superior del forjado. La pieza de refuerzo es un perfil en U de acero S275 conformado en frío con pletinas soldadas insertadas en la madera y conectada mediante tirafondos. Se ensayaron 30 piezas a flexión obteniendo la rigidez y la capacidad de carga. Las probetas se dividieron en tres grupos. El primero compuesto por 10 piezas de madera laminada encolada de abeto con una sección de 180 x 200 mm y una longitud de 4.000 mm; el segundo consistía en 10 piezas de madera aserrada de pino silvestre con la misma sección y longitud y, el tercero, estaba formado por otras 10 piezas de madera del género Pinus con una sección de 130 x 150 mm y 3.000 mm de longitud, procedentes de un edificio de Madrid con 120 años de antigüedad. Cada grupo de 10 piezas se dividió a su vez en dos grupos de 5 piezas. El primer subgrupo estaba formado por las piezas completas de madera y constituía el grupo de referencia. Las piezas del segundo subgrupo tenían una longitud inferior que se salvaba con una extensión del refuerzo metálico. Los resultados indican que el sistema de refuerzo metálico permite resolver los problemas de falta de apoyo de la vigueta por deterioro de la madera que afecte en una longitud limitada (aproximadamente entre el 10 y el 20% de la longitud).

Influence of coiling on the stress relaxation of prestressing steel wires

The possible deleterious effects of coiling and long time storage of coiled wires on the stress relaxation behaviour of prestressing steel wires has been checked by means of experimental work and a simple analytical model. The results show that if the requirements of Standards are fulfilled (minimum coiling diameters) these effects can be neglected. However, some other factors like previous residual stresses, long time storage or storage at high temperatures, can trigger or emphasize this damage on the material. In the authors? opinion it is recommended to control the final curvature of the wires after uncoiling prior to prestressin, as required in some Standards.

Stress relaxation losses of prestressing steel wires

Prestressed structures are susceptible to relaxation losses which are of significant importance in structural design. After being manufactured, prestressing wires are coiled to make their storage and transportation easier. The possible deleterious effects of this operation on the stress relaxation behavior of prestressing steel wires are usually neglected, though it has been noticed by manufacturers and contractors that when relaxation tests are carried out after a long-time storage, on occasions relaxation losses are higher than those measured a short time after manufacturing. The influence of coiling on the relaxation losses is checked by means of experimental work and confirmed with a simple analytical model. The results show that some factors like initial residual stresses, excessively long-time storage or storage at high temperatures, can trigger or accentuate this damage. However, it is also shown that if the requirements of standards are fulfilled (minimum coiling diameters) these effects can be neglected.

Comportamiento bajo cargas estáticas de sistemas provisionales de protección de borde realizados con elementos de acero = Behavior under static loads of temporary edge protection systems built with steel elements

La norma UNE-EN 13374 “Sistemas provisionales de protección de borde. Especificaciones del producto, métodos de ensayo” (1) clasifica los sistemas provisionales de protección de borde (SPPB) en tres clases (A, B y C), en función del ángulo de la superficie de trabajo y de la altura de caída de la persona a proteger. Los sistemas clase A son los indicados cuando la inclinación de la superficie de trabajo es menor de 10º. La norma establece los requisitos de flecha y de resistencia de los SPPB. Los requisitos se pueden comprobar tanto analítica como experimentalmente. El objetivo del trabajo ha sido la evaluación del comportamiento de los SPPB utilizados habitualmente en las obras y establecer los cambios necesarios para que cumplan con la norma UNE-EN 13374. Para ello se han evaluado analítica y experimentalmente tres SPPB clase A, fabricados con acero S235. Los resultados obtenidos muestran que, el sistema empleado de forma habitual en obras no supera los requisitos de la norma ni analítica ni experimentalmente. El tercer sistema supera los requisitos con las dos metodologías de análisis. El segundo sistema supera los requisitos cuando la evaluación se realiza analíticamente pero no cuando la vía utilizada es la experimental.

Ductilidad del acero inoxidable bajo en níquel para estructuras de hormigón armado / Ductility in a new low nickel stainless steel for reinforced concrete

En este trabajo se presentan los diagramas tensióndeformación de un nuevo acero inoxidable con bajo contenido en níquel, un inoxidable convencional AISI 304 y un acero al carbono de uso común en estructuras de hormigón armado. Dicha ductilidad se ha estudiado determinando la tensión máxima (fmax), la tensión en el límite elástico (fy) y la deformación bajo carga máxima (εmax). Los tres materiales se han evaluado utilizando criterios aceptados internacionalmente, como son el índice p (capacidad de rotación plástica), el índice A* (área plástica de endurecimiento) y el índice de tenacidad Id (energía total absorbida en el punto de alargamiento bajo carga máxima), los resultados obtenidos se han comparado con los aceros convencionales de armaduras 500SD, 500N y 500H (EC-2).

Corrosion behaviour of new duplex stainless steel reinforcements embedded in chloride contaminated concrete

The use of reinforcing stainless steels (SS) in concrete have proved to be one of the most effective methods to guarantee the passivity of reinforced concrete structures exposed to chloride contaminated environment. The present research studies the corrosion behaviour of a new duplex SS reinforcements with low nickel content (LND) (more economicaly compatible) is compared with the conventional austenitic AISI 304 SS and duplex AISI 2304 SS. Corrosion behaviour of ribbed SS reinforcements was studied in mortars with chloride content (0, 0.4, 2 and 4% Cl ⎯ ) using linear polarization resistance and potentiostatic pulses technique, Ecorr and Rp values were monitored over the exposure time. The obtained icorr data for the new duplex stainless steel LND no afforded passivity breakdown after one year exposure

Synchrotron strain scanning for residual stress measurement in cold-drawn steel rods

Cold-drawn steel rods and wires retain significant residual stresses as a consequence of the manufacturing process. These residual stresses are known to be detrimental for the mechanical properties of the wires and their durability in aggressive environments. Steel makers are aware of the problem and have developed post-drawing processes to try and reduce the residual stresses on the wires. The present authors have studied this problem for a number of years and have performed a detailed characterization of the residual stress state inside cold-drawn rods, including both experimental and numerical techniques. High-energy synchrotron sources have been particularly useful for this research. The results have shown how residual stresses evolve as a consequence of cold-drawing and how they change with subsequent post-drawing treatments. The authors have been able to measure for the first time a complete residual strain profile along the diameter in both phases (ferrite and cementite) of a cold-drawn steel rod.

Influence of coiling on the stress relaxation of prestressing steel wires

The possible deleterious effects of coiling and long-term storage of coiled wires on the stress relaxation behaviour of prestressing steel wires has been checked by means of experimental work and a simple analytical model. The results show that if the requirements of standards are fulfilled (minimum coiling diameters), these effects can be neglected. However, some other factors, such as previous residual stresses, long-term storage or storage at high temperatures, can trigger or emphasize this damage to the material. In the authors' opinion, checking the final curvature of the wires after uncoiling prior to prestressing, as required in some standards, is to be recommended.

Influencia de las condiciones de almacenamiento sobre la relajación de aceros de pretensado = Influence of storage conditions on prestressing steel relaxation losses

La pérdida de tensión por relajación en las armaduras activas afecta de forma importante a las estructuras de hormigón pretensado. Por ello se realizan ensayos de relajación de los alambres y cordones de pretensado tras su fabricación. Después, el material es enrollado y almacenado durante periodos que en ocasiones pueden superar el año de duración. Generalmente se desprecia la influencia que estas operaciones posteriores a la fabricación pueden tener sobre el material. Sin embargo, diversos fabricantes y suministradores han constatado experimentalmente que, en ocasiones, el material almacenado durante un periodo prolongado presenta pérdidas de relajación mayores que inmediatamente tras su fabricación. En este trabajo se realizan ensayos de laboratorio para comprobar la influencia que el radio de enrollamiento y el periodo de almacenamiento tienen sobre las pérdidas de relajación. También se propone un modelo analítico que permite predecir de manera razonablemente aproximada el valor del ensayo de relajación sobre un alambre sometido a un enrollamiento prolongado. Este modelo explica la evolución del perfil de tensiones durante el proceso de enrollamiento-almacenamiento-desenrollamiento, así como la influencia de las tensiones residuales

Pitting Corrosion in Austenitic Stainless Steel Water Tanks of Hotel Trains

The water storage tanks of hotel trains suffered pitting corrosion. To identify the cause, the tanks were subjected to a detailed metallographic study and the chemical composition of the austenitic stainless steels used in their construction was determined. Both the tank water and the corrosion products were further examined by physicochemical and microbiological testing. Corrosion was shown to be related to an incompatibility between the chloride content of the water and the base and filler metals of the tanks. These findings formed the basis of recommendations aimed at the prevention and control of corrosion in such tanks. Se han detectado problemas de corrosión por picaduras en los depósitos de agua de trenes hotel. Para identificar las causas se llevó a cabo un detallado estudio metalográfico así como de la composición química de los aceros inoxidables austeníticos utilizados en su construcción. También se realizaron estudios fisicoquímicos y microbiológicos de los productos de corrosión. Se ha encontrado que los problemas de corrosión están relacionados con la incompatibilidad entre el contenido en cloruros del agua y los metales base y de aporte de la soldadura de los tanques. En base a estos hallazgos se proponen una serie de recomendaciones encaminadas a la prevención y control de la corrosión de dichos depósitos.

Hydrogen embrittlement risk of high strength galvanized steel in contact with alkaline media

The critical conditions for hydrogenembrittlement (HE) risk of highstrengthgalvanizedsteel (HSGS) wires and tendons exposed to alkaline concrete pore solutions have been evaluated by means of electrochemical and mechanical testing. There is a relationship between the hydrogenembrittlementrisk in HSGS and the length of hydrogen evolution process in alkalinemedia. The galvanizedsteel suffers anodic dissolution simultaneously to the hydrogen evolution which does not stop until the passivation process is completed. HSGS wires exposed to a very highalkalinemedia have showed HE risk with loss in mechanical properties only if long periods with hydrogen evolution process take place with a simultaneous intensive galvanized coating reduction.

Behaviour of steel prestressing wires under extreme conditions of strain rate and temperature

The purpose of this paper is to provide information on the behaviour of steel prestressing wires under likely conditions that could be expected during a fire or impact loads. Four loadings were investigated: a) the influence of strain rate – from 10–3 to 600 s–1 – at room temperature, b) the influence of temperature – from 24 to 600 °C – at low strain rate, c) the influence of the joint effect of strain rate and temperature, and d) damage after three plausible fire scenarios. At room temperature it was found that using “static” values is a safe option. At high temperatures our results are in agreement with design codes. Regarding the joint effect of temperature and strain rate, mechanical properties decrease with increasing temperature, although for a given temperature, yield stress and tensile strength increase with strain rate. The data provided can be used profitably to model the mechanical behaviour of steel wires under different scenarios.