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  • PROPUESTA DE CONFIGURACIÓN Y DE MÉTODO DE INSPECCIÓN DE UNIONES MIXTAS MEDIANTE PERNOS CONECTORES

Título: PROPUESTA DE CONFIGURACIÓN Y DE MÉTODO DE INSPECCIÓN DE UNIONES MIXTAS MEDIANTE PERNOS CONECTORES
Fecha lectura: 16/05/2013
Director de la Tesis: Jaime Cervera Bravo y José Ignacio Hernando García
Tribunal: Jesús Ortiz, Francisco Millanes, Pedro M. Sosa, Agustí Obiol y Miguel Gómez Navarro
Centro: E.T.S. A - Madrid - UPM
  • Abstract en Castellano
  • La utilización conjunta de los soportes de acero con los forjados de hormigón armado aúna las ventajas constructivas y arquitectónicas de ambos sistemas de ejecución. El principal inconveniente que se presenta en estos casos es la complejidad de sus nudos. Las uniones estructurales viga-pilar mediante pernos tipo Nelson o Köco aparecen sólo ocasionalmente en el mundo de la edificación. Los casos en los que esto ocurre normalmente corresponden a obras de especial singularidad, a uniones secundarias o a anclajes de reducida responsabilidad estructural.

    La presente Tesis Doctoral tiene el objetivo principal de aportar una alternativa a las uniones convencionales entre losas o vigas de hormigón armado con pilares metálicos, utilizando para ello los pernos conectores. En este trabajo se establece un campo de aplicación concreto de las estructuras de edificación en el que la utilización de uniones mediante pernos conectores resulta óptima, dada la posibilidad de industrialización de estos nudos, su sencillez y la alta resistencia de los pernos en la transmisión del cortante. Se ha procedido al estudio teórico-analítico de la resistencia de estas uniones y a su posterior comparación experimental. En este trabajo se presentan las diferencias obtenidas entre los resultados experimentales y los previstos por las formulaciones teóricas, debidas principalmente a las particularidades de las configuraciones de unión y al efecto del rozamiento.

    El sorprendente comportamiento mecánico obtenido en los resultados experimentales induce a presagiar que la configuración de unión que se propone, junto con el método de cálculo aportado, puede llegar a sustituir a las soluciones convencionales utilizadas hasta el momento en las estructuras mixtas de edificación.

    Los pernos conectores aportan grandes ventajas al campo de la construcción aunque sus soldaduras, pese a la gran seguridad que las caracteriza, son difícilmente comprobables mediante ensayos no destructivos. Los ensayos destructivos no son en absoluto recomendables para las configuraciones de unión estudiadas en esta Tesis. Esto se debe principalmente al reducido número de pernos que configuran las uniones y a la gran responsabilidad que cada perno asume respecto a la seguridad global de la estructura. Los métodos convencionales de inspección presentan grandes dificultades e inconvenientes para comprobar las soldaduras de los pernos, por lo que se han investigado nuevas posibilidades de inspección y control.

    Esta Tesis plantea un método alternativo para la inspección de las soldaduras de los pernos conectores. El método desarrollado se basa en la acústica y consiste en el cálculo analítico de los modos propios de vibración del perno y su posterior comparación con las frecuencias naturales obtenidas a partir de una medición experimental. La investigación analítica comprende numerosas simulaciones por elementos finitos en las varían las condiciones de contorno para simular los defectos de soldadura. La investigación experimental consiste en la medición acústica de los pernos conectores y su posterior ensayo mediante métodos destructivos y no destructivos. Finalmente se han comparado los resultados analíticos con los obtenidos en el laboratorio y se ha obtenido una clara correlación entre las frecuencias calculadas y la calidad de las soldaduras. De este modo se permite averiguar el estado interno de una soldadura a partir de medición de su frecuencia natural de vibración.
    Se ha propuesto un método de inspección acústica que permite comprobar la calidad de las soldaduras de modo sencillo, económico y de fácil ejecución en obra.
    En conclusión, esta Tesis presenta una nueva configuración de unión mixta mediante pernos conectores y un completo método de calculo y comprobación. Finalmente se ha desarrollado un método no destructivo para la inspección de los pernos que permite garantizar la calidad de sus soldaduras en obra.

  • Abstract en Portugués
  • The concurrent use of steel column with concrete floors in building combines the advantages of these conventional solutions with the architectural benefits of steel supports. The main difficulty present in the combination of both structural systems is addressed in the connections complexity. Beam to column connections with headed studs, as Nelson, Köco or similar, are rarely used in building structures. When they are used, shear studs are employed in particular cases, composite beams, steel-concrete slabs, and generally in non-primary structural connections.

    The main aim in this Thesis is to propose an alternative solution for reinforced concrete beams to steel columns joints using shear studs. These joints are a primary shear stud connections and they can be used both in concrete elements beams or in slabs. A specific field of structure buildings has been defined to achieve the greatest mechanical behaviour of these joints. This approach provides numerous advantages compared to conventional joints as simplicity, industrialization possibilities and higher shear strength. Analytical and theoretical study of the mechanical behaviour and experimental comparison of the joint have been carried out. As a result, the differences observed between analytical and experimental tests are presented. It was determined that these differences were due to specific configuration of the joint and to friction process.

    The results obtained in the experimental tests prove an excellent mechanical behaviour of the joint. The headed stud beam to column proposed applying the design method elaborated could be able to replace most of the conventional joint solutions commonly used to date.

    Headed studs offer numerous advantages in building field, highlighting the excellent weld safety. On the other hand, a correct inspection of the welds is hardly checked in non-destructive test. Destructive test are absolute not recommended in the shear studs joints proposed in this Thesis, because they are composed of a small number of studs and each of these studs has a great contribution to the overall global safety of the structure. In this sense, research on the inspection and control procedures of conventional methods has been tackled. The difficulties and disadvantages of conventional inspection methods in shear studs welds have been addressed.

    An alternative inspection method of welded studs has been created and is presented in this Thesis. This method is based on acoustic principles. It correlates the analytical calculation of the first vibration modes of shear studs with the experimental measurement of the natural frequencies in the sonic range. The analytical calculation comprises several finite element models with different degrees of weld penetration, simulated by changes in the boundary conditions. The experimental research firstly include all the measurements of the natural frequencies of the headed studs. Then they have been tested by non-destructive and destructive tests. Finally, the obtained results were compared with their respective frequency measurements. A clear relationship between the measured frequencies and the lack of welds penetration have been established, disclosing the internal weld imperfections by means of the analytical prediction.

    The feasibility of a simple, economic and absolutely non-destructive test of welded studs has been clearly established by in site measurement of natural frequencies of the sonic range.

    In conclusion, this Thesis presents a new joint configuration together with solid procedures for its analysis and design. Moreover an innovative non-destructive method for weld quality assessment by on-site validation has been created.

Participaciones

IX concurso bienal (ver ficha histórico)

Antonio Aznar López

Arquitecto
E.T.S. A - Madrid - UPM
MADRID | ESPAÑA