El significado histórico de la construcción de rascacielos

Esta unión de remachado se sitúa como uno de los métodos de unión definitorios en la evolución de la construcción de marcos de acero. Desde finales del siglo XIX hasta mediados del siglo XX, casi todos los rascacielos principales se basaron en remaches de motor caliente para conectar rayos, columnas y vigas. Los trabajadores calentaron rives a temperaturas de rojo cereza, los insertó a través de agujeros alineados en los miembros de acero, y luego martillaron el segundo plano

La adopción generalizada de rive fue impulsada por su fiabilidad y consistencia. A diferencia de los ayunos roscados tempranos, los rivets llenaron todo el diámetro del agujero al enfriamiento, creando un ajuste ajustado que minimizaba el deslizamiento y el movimiento bajo cargas de servicio. Esta característica hizo conexiones removidas particularmente bien adaptadas a los patrones de carga repetitivos experimentados en edificios altos sometidos a la actividad eólicada.

Los rascacielos históricos como el Edificio Woolworth, el Edificio Chrysler y el Empire State Building se basaron en millones de rivets para lograr sus alturas récord. La Sociedad Americana de Ingenieros Civiles ha reconocido muchas de estas estructuras como hitos históricos precisamente debido a las técnicas de construcción innovadoras que emplearon.

Comprender la historia de la remacha es importante porque establece la base para evaluar cómo estas conexiones funcionan bajo eventos extremos como terremotos. Muchos de los edificios más altos del mundo en regiones sensicamente activas fueron construidos durante la época de remachado, y su continua ocupación segura depende del conocimiento preciso de cómo las articulaciones rematadas responden a las fuerzas laterales.

Propiedades mecánicas de juntas rígidas bajo carga sismática

Los marcos de construcción de las superficies de tierra a los desplazamientos laterales cíclicos que pueden causar daños progresivos si las conexiones no están correctamente diseñadas. El comportamiento mecánico de las articulaciones rematadas difiere del de las conexiones soldadas o retorcidas de varias maneras que afectan directamente el rendimiento sísmico. Los ingenieros que evalúan las estructuras rematadas existentes deben considerar propiedades como la ductilidad, la capacidad de disipación energética, la rigidez y los modos de falla.

Ductility and Energy Dissipation

La ductilidad describe la capacidad de un material o conexión para someterse a deformación plástica sin fractura. En el diseño sísmico, las conexiones dúctiles permiten que la estructura absorba energía sismológica mediante el rendimiento controlado en lugar de resistir fuerzas elásticamente hasta que se produzca un fallo súbito. Las articulaciones recubiertas muestran una ductilidad apreciable porque los propios rivets pueden producir en el corte o cojido antes de la placa de acero circundante.

La investigación publicada en el Journal de Ingeniería Estructural ha demostrado que los rivets conducidos por calor desarrollan tensiones residuales de tensión de tracción mientras se enfrían, lo que aumenta la fuerza de sujeción entre placas conectadas. Esta fuerza de sujeción mejora el componente de fricción de la articulación, permitiendo que disipa energía mediante el rendimiento de fricción durante la excitación.

Distribución de carga y redecencia

Una conexión típica rematada utiliza múltiples remaches dispuestos en patrones a lo largo de las líneas de gage de los miembros conectados. Esta multiplicidad crea redundancia inherente: si un remache comienza a fallar, los remaches restantes pueden redistribuir la carga a otras partes de la conexión. La distribución de carga no es perfectamente uniforme debido a los efectos de lavado elástico, pero la presencia de múltiples remaches proporciona un margen de seguridad que falta de conexiones de ayunificador.

La redundancia de las conexiones rematadas es una ventaja estructural durante los terremotos, donde los eventos de sobrestreza localizados pueden ocurrir como el edificio se mueve. AISC Especificación para edificios de acero estructural reconoce la importancia de la redundancia en sistemas de resistencia a la fuerza sísmica. Las conexiones rígidas, por su propia naturaleza, encarnan este principio porque el camino de carga se distribuye en muchos

Estupidez y capacidad de servicio

Las articulaciones rematadas son generalmente más duras que las conexiones pervertidas, pero menos rígidas que las conexiones soldadas con la penetración completa. La rigidez afecta cómo el edificio responde a movimientos sísmicos de tierra porque influye en el período natural de la estructura. Un edificio más rígido atrae fuerzas sísmicas más altas pero experimenta desplazamientos más pequeños. Las conexiones rígidas proporcionan niveles de rigidez intermedia que, en muchos rascacielos históricos, produjeron períodos naturales que evitan las frecuencias.

El ajuste ajustado de los remaches accionados por calor elimina gran parte del deslizamiento que ocurre en conexiones atornilladas con agujeros estándar. Este ajuste ajustado asegura que el edificio no experimente cambios repentinos durante terremotos moderados, que podrían dañar componentes no estructurales y acabados interiores. Por esta razón, los marcos remachados a menudo mantienen su servicio incluso después de eventos sísmicos que causan el rendimiento de conexiones más flexibles.

Análisis comparativo: Riveted vs. Welded vs. Bolted Connections

La construcción moderna de alta altura utiliza principalmente conexiones soldadas y atornilladas, pero cada método tiene ventajas y limitaciones distintas cuando se evalúa para la resistencia sísmica. Comparar conexiones remachadas a estas alternativas proporciona contexto para comprender el rol de la remachación puede jugar tanto en la construcción nueva como en la rehabilitación de estructuras existentes.

Conexiones soldadas

La soldadura crea un vínculo metálico continuo entre los miembros del acero, produciendo una conexión con una rigidez y fuerza muy elevadas. En aplicaciones sísmicas, las conexiones de momento soldados pueden desarrollar la capacidad del momento plástico completo del haz, que es deseable para la disipación de energía a través del accionamiento de rayos. Sin embargo, las conexiones soldadas requieren un control cuidadoso de calidad para evitar defectos como fusión incompleta, inclusión de escoria, y la conexión de hidrógeno de baja resistencia.

El terremoto de Northridge 1994 expuso vulnerabilidades significativas en conexiones de momento soldadas que habían sido ampliamente utilizados en marcos de construcción. Muchas conexiones experimentaron fracturas de hervidor en la interfaz de soldadura antes de que las vigas pudieran desarrollar su capacidad plástica. Esto llevó a cambios importantes en el diseño de conexión sísmica, incluyendo los requisitos para conexiones precalificadas con mayor ductilidad.

Conexiones entorpecidas

Las conexiones atornilladas de alta resistencia son el método más común de montaje de campo en la construcción de acero moderno. Los tornillos se pueden instalar rápidamente con requisitos mínimos de habilidad en comparación con soldadura o remachado. Las conexiones atornilladas con deslizamiento crítico utilizan tornillos pretensionados que aprisionan las placas conectadas juntas, creando fricción que resiste a deslizarse bajo cargas de servicio.

Las conexiones atornilladas carecen del ajuste ajustado de remaches accionados por calor, ya que el diámetro del perno es ligeramente más pequeño que el agujero para permitir la instalación. Esta limpieza crea una gama de deslizamientos antes de que el perno se oscurezca contra la placa, lo que puede resultar en la deformación de conexión que puede ser indeseable en algunos sistemas de resistencia a la fuerza sísmica.

Conexiones removidas en contexto

Las conexiones rematadas ofrecen una combinación única de propiedades que ni soldadura ni atornillado se replican completamente. El método de instalación impulsado por calor produce un abrochador que llena completamente el agujero, proporcionando una superficie de rodamiento a lo largo de la manta del remache. El tensil residual destaca por el enfriamiento crea fuerzas de sujeción comparables a los tornillos pretensionados, y el comportamiento de corte de dúdica excelente

Para los edificios existentes que fueron originalmente remachados, mantener el tipo de conexión original durante la recaída sísmica puede ser ventajoso porque preserva la trayectoria de carga y las características de ductilidad que la estructura ya ha demostrado durante décadas de servicio. Reemplazar conexiones remachadas con conexiones soldadas o retorcidas introduce nuevas variables relacionadas con la rigidez de conexión y la ductilidad que pueden alterar la respuesta sísmica del edificio de manera imprevisible.

Estudios de caso: Rascacielos enarbolados que sobrevivieron a terremotos importantes

Los datos de rendimiento del mundo real de terremotos reales proporcionan la evidencia más convincente para la resiliencia sísmica de estructuras rematadas. Examinar cómo los rascacielos rematados históricos acuñados durante los principales eventos sísmicos ofrece información práctica para ingenieros y propietarios de edificios.

El Empire State Building

El Empire State Building se completó en 1931 utilizando aproximadamente 10 millones de rivets en su marco de acero. El sistema estructural del edificio consta de un marco de acero rígido con conexiones de momento remachadas en las juntas de bajo calibre. Esta estructura ha experimentado numerosos eventos de terremotos durante su historia de casi siglo, incluyendo el terremoto de Massena de 1944 y el terremoto de Virginia 2011 que sacudió gran parte del este de Estados Unidos.

Tras cada terremoto, las inspecciones del Empire State Building no revelaron daños estructurales significativos a las conexiones rematadas. El largo período natural del edificio, combinado con la ductilidad de sus articulaciones rematadas, le permitió responder a movimientos terrestres sin sobrecalificar las conexiones. El rendimiento del edificio subraya el principio de que un marco bien diseñado puede proporcionar una resistencia sísmica sólida incluso cuando se diseñó mucho antes de que existieran códigos sísmicos modernos.

Otros ejemplos notables

Varios otros rascacielos rematados han demostrado resistencia sísmica. La pirámide transamericana en San Francisco, terminada en 1972, utiliza una combinación de conexiones rematadas y retorcidas en su innovador sistema estructural. A pesar de estar situada cerca de la Fórum San Andreas, el edificio se realizó bien durante el terremoto de Loma Prieta de 1989 y el terremoto de Napa de 2014.

El Columbia Center de Seattle, completado en 1985, es uno de los edificios más altos del noroeste del Pacífico y utiliza conexiones remachadas en su estructura central. El edificio sobrevivió al terremoto de 2001 que causó daños generalizados a estructuras de mampostería no reforzadas en la región. Las inspecciones posteriores al terremoto encontraron sólo daños menores en el marco de acero, sin fallas de conexión reportadas. Estos estudios demuestran que las conexiones rematadas pueden proporcionar servicios fiables.

La ciencia de los modos de fracaso del Rivet durante eventos sísmicos

Comprender cómo las conexiones rematadas pueden fallar bajo carga sísmica es esencial para evaluar su seguridad y diseñar retrofits. La falla de rígida implica normalmente uno de los tres mecanismos principales: falla de llanto, fallo de llanto o grieta de fatiga. Cada modo de fallo tiene características distintas que los ingenieros deben evaluar al analizar las estructuras existentes.

No se puede

La falla de lavado ocurre cuando la manta de la remacha está sujeta a fuerzas de desgarradoras que exceden su fuerza de esquila. En una articulación rematada, el remache pasa a través de agujeros alineados en las placas conectadas, y la carga aplicada tiende a desgarrar el remache en la interfaz entre las placas. La fuerza de la remachada depende de su diámetro, las propiedades materiales del acero de la ecuación ajustada

Durante un terremoto, fuerzas de corte en rivets pueden llegar a ser grandes debido a los desplazamientos laterales cíclicos del marco. Sin embargo, los rivets suelen exhibir comportamiento dúctil en el encaje, lo que significa que se elongarán y deformarán significativamente antes de la fractura. Esta respuesta dúctil permite que la conexión continúe carga incluso después de que el rematado haya sufrido una deformación plástica sustancial.

Fallo de los rodamientos

La falla de cojinete implica la trituración o el rendimiento del material de placa de acero alrededor del agujero de remache. Como el remache presiona contra la placa, el material de placa puede producir y elongate el agujero, aumentando la limpieza y potencialmente reduciendo la eficacia de la conexión. La falla del cojinete se asocia con placas finas o materiales con baja resistencia compresiva relativa al diámetro del remache.

En la carga sísmica, el fallo de cojinete puede acumularse en múltiples ciclos, ya que el remache se oscurece repetidamente contra la placa en direcciones alternadas. La elongación progresiva de agujeros de remache puede llevar a una deformación significativa de conexión y a una reducción de rigidez. Los ingenieros que evalúan las conexiones remachadas para la resistencia sísmica deben comprobar la capacidad de cojinete de las placas para asegurar que pueden resistir las fuerzas máximas sin deformaciones.

Canción de fatiga

La fatiga es un modo de falla que ocurre cuando un remache o placa circundante experimenta ciclos repetidos de estrés que causan iniciación y propagación de grietas. La carga sismica típicamente implica fatiga de ciclo bajo, de alta tensión, donde sólo unos pocos cientos de ciclos pueden ser suficientes para causar grietas. Las conexiones rígidas pueden experimentar fatiga en la transición de cabeza a ruptura del remache, donde las concentraciones de estrés son más altas.

La resistencia a la fatiga de las conexiones rematadas está influenciada por la calidad de la instalación de rivet. Los remaches impropiamente impulsados que no llenan el agujero completamente o que tienen cabezas mal formadas pueden haber reducido la vida de fatiga. Por el contrario, los remaches correctamente instalados con buena fuerza de sujeción y suficiente pueden lograr resistencia a la fatiga comparable a la de las conexiones atornilladas.

Moderno Retrofitting de Estructuras Rivedas para la Resiliencia Sismica

Muchos edificios existentes con marcos de acero remachados fueron diseñados antes de que se desarrollaran códigos sísmicos modernos. Retrofiting estas estructuras para cumplir con los estándares de rendimiento sísmico actuales a menudo implica mejorar las conexiones remachadas existentes o complementarlas con elementos adicionales.El objetivo de la recaída es aumentar la fuerza, rigidez o ductilidad del edificio para asegurar que pueda soportar los movimientos de tierra del terremoto esperado sin colapsar.

Métodos de evaluación

Antes de diseñar una retroadapación, los ingenieros deben evaluar la condición existente de las conexiones rematadas. La inspección visual puede identificar signos de corrosión, deformación o grieta que pueden indicar malestar. Las pruebas ultrasónicas pueden detectar fallas internas en rivets y placas, mientras que las pruebas de partículas magnéticas pueden identificar grietas superficiales en cabezas de grifo y material circundante.

Los métodos de evaluación analítica, incluyendo el modelado de elementos finitos, pueden simular el comportamiento de conexiones remachadas bajo carga sísmica e identificar posibles modos de falla.El documento FEMA P-750 proporciona directrices para la evaluación sísmica y la adaptación de los edificios existentes, incluyendo aquellos con marcos de acero remachado. Estas directrices ayudan a los ingenieros a determinar si las conexiones existentes proporcionan una resistencia sís adecuada.

Técnicas de refuerzo

Existen varias técnicas para fortalecer las conexiones rematadas en los edificios existentes. La adición de placas de cubierta soldadas o rígidos atornillados puede aumentar la capacidad y la ductilidad de la conexión. Los ángulos o canales de acero se pueden atornillar a los rayos y columnas existentes para crear caminos de carga adicionales que reduzcan la demanda en las articulaciones remachadas originales.

Un enfoque común de retrofit para conexiones de momento rematado es añadir halzones o costillas soldadas en la región de conexión. Estos elementos aumentan la profundidad del haz en la conexión, reduciendo el estrés en los remaches y empujando la bisagra de plástico lejos de la cara de la columna. Esta técnica se ha utilizado con éxito en muchos edificios en regiones sesismicamente activas, incluyendo California y Japón.

Las conexiones retráctiles pueden ser retenidas y reforzadas de manera que respete el carácter histórico del edificio y cumpla con las normas modernas de seguridad. El Secretario de Normas del Interior para la Rehabilitación proporciona orientación para preservar materiales y características históricos, garantizando la seguridad de la vida.

Buenas prácticas para ingenieros que trabajan con conexiones abatidas

Los ingenieros responsables del diseño, evaluación o retrofit de rascacielos rematados deben seguir las mejores prácticas establecidas para garantizar la seguridad estructural durante los terremotos. Estas prácticas incluyen mantener documentación precisa de las conexiones existentes, utilizando propiedades materiales apropiadas en el análisis, y considerando el comportamiento único de las articulaciones rematadas bajo carga cíclica.

La documentación debe incluir el tamaño y grado de los remaches, el espesor y el grado de las placas conectadas, el patrón y el espaciamiento de los remaches, y cualquier modificación que se haya realizado a las conexiones sobre la vida del edificio. Los dibujos originales de construcción, cuando estén disponibles, pueden proporcionar información valiosa sobre la intención de diseño y las propiedades de los materiales utilizados. Sin embargo, los ingenieros deben verificar que las condiciones as-construidas coinciden con los dibujos, como se han hecho modificaciones de campo.

Las propiedades materiales para los remaches históricos pueden obtenerse de referencias publicadas o de pruebas en muestras extraídas del edificio. El acero de rivet normalmente tiene una fuerza de rendimiento entre 200 y 350 MPa y una fuerza de tracción máxima entre 400 y 500 MPa, aunque estos valores pueden variar ampliamente dependiendo de la era y el fabricante. La especificación AISC proporciona valores de diseño para remaches que pueden utilizarse cuando no se dispone de datos específicos de prueba.

Al analizar las conexiones rematadas para la carga sísmica, los ingenieros deben considerar los efectos combinados de las fuerzas de esquila, de cojinete y de tensil que pueden ocurrir simultáneamente durante un terremoto. La interacción entre estas fuerzas puede reducir la capacidad de conexión en comparación con la carga en una sola dirección. Las ecuaciones de interacción basadas en códigos proporcionan un método racional para comprobar las condiciones de carga combinadas.

Futuros orientaciones en el diseño sismic rematado

Mientras que el remache ya no es el método primario de conexión de acero en la nueva construcción, la investigación sigue informando de cómo se pueden mantener y reelaborar las estructuras rematadas. Los avances en la ciencia de materiales y el modelado estructural están proporcionando nuevas ideas sobre el comportamiento de conexiones rematadas bajo carga extrema. Los investigadores también están explorando el uso de materiales avanzados, como los polímeros reforzados de fibra, para reforzar las conexiones remachadas existentes sin añadir peso ni rigidez significativa.

El creciente énfasis en la resiliencia y la sostenibilidad en el entorno construido ha renovado interés en la preservación de las estructuras existentes. Mantener y mejorar un rascacielos remachado histórico reduce el impacto ambiental asociado con la demolición y la construcción nueva preservando al mismo tiempo el patrimonio cultural del edificio. Como más ciudades alrededor del mundo adoptan códigos de construcción basados en la resiliencia, la comunidad de ingeniería necesitará cada vez más herramientas sofisticadas para evaluar y mejorar el rendimiento sísmico de las estructuras rema.

Conclusión

El ciclismo ha desempeñado un papel fundamental en la construcción de rascacielos y sigue influyendo en su seguridad estructural durante terremotos. Las características mecánicas de las articulaciones rematadas, incluyendo su ductilidad, capacidad de disipación de energía, distribución de carga y redundancia, proporcionan una resistencia sísmica inherente que ha sido validada por el desempeño de edificios históricos en terremotos reales. Mientras que la construcción moderna se ha movido y reforzado hacia conexiones estrechas, los millones de servicio de cuidado siguen

La ciencia del fracaso de rivet durante eventos sísmicos es bien comprendida, y existen técnicas de reacondicionamiento eficaces para mejorar el rendimiento de las estructuras existentes rematadas. Los ingenieros que evalúan y diseñan conexiones remachadas deben depender de estándares de diseño establecidos, métodos de inspección exhaustivas y una comprensión integral del comportamiento de conexión bajo carga cíclica. Al combinar conocimientos tradicionales con herramientas analíticas modernas, la comunidad de ingeniería puede asegurar que los rascacielos remaviados permanecen resistentes para las generaciones venideras.