Bolted join strength under parallel to grain double shear in guadua angustifolia structures

Resistencia de una conexión empernada solicitada a cizalladura doble paralela a la fibra para estructuras de guadua angustifolia

Autores/as

  • Fabián Augusto Lamus Báez Universidad de La Salle
  • Mayra Alejandra Plazas Bernal Universidad Distrital Francisco José de Caldas
  • Patricia Luna Tamayo Universidad Nacional de Colombia

Biografía del autor/a

Fabián Augusto Lamus Báez, Universidad de La Salle

Ingeniero civil, magíster en Ingeniería - Estructuras, doctor en Ingeniería - Ciencia y Tecnología de Materiales, docente de la Universidad de La Salle. Bogotá.

Mayra Alejandra Plazas Bernal, Universidad Distrital Francisco José de Caldas

Ingeniero civil, Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Bogotá, Colombia.

Patricia Luna Tamayo, Universidad Nacional de Colombia

Ingeniera civil, magíster en Estructuras, candidato a doctor en Ingeniería Civil, docente de la Universidad Nacional de Colombia, Bogotá.

Referencias

Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica (2010). Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente NSR-10, Bogotá.

Camacho Páez, H. (2002). Estudio de conexiones en guadua solicitada a momento flector (trabajo de grado). Universidad Nacional de Colombia, Bogotá.

Clavijo, S. y Trujillo, D. (2000). Evaluación de uniones a tracción en guadua (trabajo de grado). Universidad Nacional de Colombia, Bogotá.

Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación (Icontec) (2007). Norma Técnica Colombiana 5525 Métodos de ensayo para determinar las propiedades físicas y mecánicas de la Guadua Angustifolia Kunth. Bogotá: Icontec.

Lamus, F. (2008). Calificación de una conexión viga-columna resistente a momento en Guadua angustifolia (tesis de maestría). Universidad Nacional de Colombia, Bogotá.

Lamus, F. y Takeuchi, C. (2009). Determinación de la rigidez de un tipo de conexión viga-columna en Guadua angustifolia. Epsilon, 13, 193-204.

Plazas, M. (s. f.). Estudio sobre la influencia del diámetro del perno en la resistencia al corte paralelo a la fibra en conexiones pernadas de Guadua angustifolia (trabajo de grado). Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Bogotá.

Prieto, R. (2004). Optimización de unión en guadua ante fuerza sísmica (tesis de pregrado). Universidad Industrial de Santander, Bucaramanga.

Cómo citar

APA

Lamus Báez, F. A., Plazas Bernal, M. A., y Luna Tamayo, P. (2015). Bolted join strength under parallel to grain double shear in guadua angustifolia structures. Tecnura, 19(43), 52–62. https://doi.org/10.14483/udistrital.jour.tecnura.2015.1.a03

ACM

[1]
Lamus Báez, F.A. et al. 2015. Bolted join strength under parallel to grain double shear in guadua angustifolia structures. Tecnura. 19, 43 (ene. 2015), 52–62. DOI:https://doi.org/10.14483/udistrital.jour.tecnura.2015.1.a03.

ACS

(1)
Lamus Báez, F. A.; Plazas Bernal, M. A.; Luna Tamayo, P. Bolted join strength under parallel to grain double shear in guadua angustifolia structures. Tecnura 2015, 19, 52-62.

ABNT

LAMUS BÁEZ, Fabián Augusto; PLAZAS BERNAL, Mayra Alejandra; LUNA TAMAYO, Patricia. Bolted join strength under parallel to grain double shear in guadua angustifolia structures. Tecnura, [S. l.], v. 19, n. 43, p. 52–62, 2015. DOI: 10.14483/udistrital.jour.tecnura.2015.1.a03. Disponível em: https://revistas.udistrital.edu.co/index.php/Tecnura/article/view/8142. Acesso em: 21 abr. 2024.

Chicago

Lamus Báez, Fabián Augusto, Mayra Alejandra Plazas Bernal, y Patricia Luna Tamayo. 2015. «Bolted join strength under parallel to grain double shear in guadua angustifolia structures». Tecnura 19 (43):52-62. https://doi.org/10.14483/udistrital.jour.tecnura.2015.1.a03.

Harvard

Lamus Báez, F. A., Plazas Bernal, M. A. y Luna Tamayo, P. (2015) «Bolted join strength under parallel to grain double shear in guadua angustifolia structures», Tecnura, 19(43), pp. 52–62. doi: 10.14483/udistrital.jour.tecnura.2015.1.a03.

IEEE

[1]
F. A. Lamus Báez, M. A. Plazas Bernal, y P. Luna Tamayo, «Bolted join strength under parallel to grain double shear in guadua angustifolia structures», Tecnura, vol. 19, n.º 43, pp. 52–62, ene. 2015.

MLA

Lamus Báez, Fabián Augusto, et al. «Bolted join strength under parallel to grain double shear in guadua angustifolia structures». Tecnura, vol. 19, n.º 43, enero de 2015, pp. 52-62, doi:10.14483/udistrital.jour.tecnura.2015.1.a03.

Turabian

Lamus Báez, Fabián Augusto, Mayra Alejandra Plazas Bernal, y Patricia Luna Tamayo. «Bolted join strength under parallel to grain double shear in guadua angustifolia structures». Tecnura 19, no. 43 (enero 1, 2015): 52–62. Accedido abril 21, 2024. https://revistas.udistrital.edu.co/index.php/Tecnura/article/view/8142.

Vancouver

1.
Lamus Báez FA, Plazas Bernal MA, Luna Tamayo P. Bolted join strength under parallel to grain double shear in guadua angustifolia structures. Tecnura [Internet]. 1 de enero de 2015 [citado 21 de abril de 2024];19(43):52-6. Disponible en: https://revistas.udistrital.edu.co/index.php/Tecnura/article/view/8142

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Resistencia de una conexión empernada solicitada a cizalladura doble paralela a la fibra para estructuras de guadua angustifolia

Bolted join strength under parallel to grain double shear in guadua angustifolia structures

Fabián Augusto Lamus Báez1, Mayra Alejandra Plazas Bernal2, Patricia Luna Tamayo3

1Ingeniero civil, magíster en Ingeniería - Estructuras, doctor en Ingeniería - Ciencia y Tecnología de Materiales, docente de la Universidad de La Salle. Bogotá, Colombia. Contacto: falamus@unisalle.edu.co
2Ingeniera civil, Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Bogotá, Colombia. Contacto: maplazasb@correo.udistrital.edu.co
3Ingeniera civil, magíster en Estructuras, candidato a doctor en Ingeniería Civil, docente de la Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, Colombia. Contacto: plunat@unal.edu.co

Fecha de recepción: 29 de julio de 2013-Fecha de aceptación: 15 de agosto de 2014

Clasificación del artículo: Investigación
Financiamiento: Universidad de La Salle

DOI: http://dx.doi.org/10.14483/udistrital.jour.tecnura.2015.1.a03


Resumen

En una conexión empernada de estructuras que usan Guadua angustifolia como material principal de soporte, la resistencia a la cizalladura doble paralela a la fibra puede verse influenciada por una amplia lista de parámetros, entre ellos la resistencia al aplastamiento, la resistencia al corte paralelo a la fibra de la pared del canuto y el área de contacto entre los elementos que conforman la conexión. En este documento se presentan los resultados experimentales para la resistencia a la cizalladura doble paralela a la fibra, cuando el elemento se encuentra solicitado a compresión, con diferentes diámetros de culmo. Por otra parte, se estudia la influencia del diámetro del perno y el espesor de la pared del culmo en la resistencia de la conexión. Los ensayos fueron realizados sobre especímenes de guadua rolliza con diámetros variables entre los siete y catorce centímetros en los que se emplearon pernos de 3/8, 1/2 y 3/4". La guadua ensayada provenía de las cercanías de Armenia en Colombia. Se encontró que la resistencia a la cizalladura paralela a la fibra es proporcionada en gran medida por la resistencia de la guadua a la compresión paralela a la fibra.

Palabras clave: materiales de construcción, Guadua angustifolia, conexión empernada, cizalladura doble.


Abstract

In a bolted joint structure using Guadua An-gustifolia Kunth as a main support material, the strength under double shear parallel to the grain could be influenced by an extensive list of parameters including parallel to grain crushing strength, parallel to grain shear strength of the wall and the contact area between elements in the joint. This paper presents experimental results for double shear strength parallel to grain, when the element is loaded under compression, for different culm diameters. Moreover, we studied the influence of the bolt diameter and culm thickness in the joint resistance. The tests were conducted on specimens of Guadua angustifolia with variable diameters between seven and fourteen centimeter where bolts of 3/8, 1/2 and 3/4" diameter were used. The Guadua tested came from the outskirts of Armenia in Colombia. It was found that the the major amount of the double shear strength parallel to grain in the joint is provided by parallel to fiber crushing resistance of the Guadua.

Keywords: Building materials, Guadua angustifolia, bolted joint, double shear.


Introducción

En Colombia, a partir de la entrada en vigencia del Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente NSR-10 (Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, 2010), la Guadua angustifolia ha sido reconocida como material principal para la construcción del sistema de resistencia sísmica de edificaciones. Por otra parte, se conoce que una de las principales dificultades en el diseño de una estructura de Guadua angustifolia consiste en la selección y el diseño de las conexiones (Lamus y Takeuchi, 2002), puesto que si bien es cierto que se han desarrollado algunas investigaciones que exploran el comportamiento mecánico de determinados tipos de uniones (Camacho y Páez, 2002; Clavijo y Trujillo, 2000; Lamus, 2008; Prieto, 2004), aún no se cuenta con la información suficiente con respecto a la relación entre la resistencia de dichas conexiones y los parámetros de los elementos que las conforman, tales como su geometría y las propiedades mecánicas de los materiales.

En el reglamento NSR-10 se han especificado algunos valores máximos para la resistencia de las conexiones empernadas y aunque se trata de un primer acercamiento al problema, es claro que se requiere un mayor estudio para llegar a tener unos parámetros de diseño que le permitan al ingeniero estructural predecir la resistencia de estas conexiones, a partir de las condiciones geométricas y las características mecánicas de los culmos de guadua y los pernos de acero.

En este documento se presentan los resultados relacionados con la influencia del espesor de la pared del canuto y el diámetro del perno en la resistencia a cizalladura doble paralela a la fibra, en una conexión empernada. Estos resultados hacen parte de un proyecto macro que tiene como objetivo estudiar el comportamiento estructural de edificaciones construidas con Guadua angustifolia usando conexiones empernadas.

Materiales

La Guadua angustifolia usada en esta investigación provenía del Quindío (Colombia), y de acuerdo con el proveedor, su edad en el momento del corte oscilaba entre los 4 y los 5 años. Para la obtención de los especímenes se aprovechó el culmo de guadua desde la cepa hasta la sobrebasa, obteniéndose diámetros entre 7 y 14 cm. Para la obtención de los especímenes de ensayo se procuró que existiera una distribución lo más uniforme posible de diámetros dentro de la muestra, tanto para los ensayos de caracterización como para los ensayos sobre las probetas de las conexiones.

En una primera etapa de caracterización se realizaron ensayos de compresión y cortante paralelo a la fibra con base en el procedimiento establecido en la norma NTC5525 (Icontec, 2007), siendo determinado el contenido de humedad para todas las muestras en el momento de la falla. En la tabla 1 se presentan los resultados para la resistencia a compresión paralela a la fibra, la resistencia a cortante paralelo a la fibra y el contenido de humedad. Por otra parte, para la conexión se usaron pernos de varilla roscada elaborada con acero SAE1020, usando diámetros de 3/8, 1/2 y 3/4".

Metodología

Para determinar la resistencia de la conexión empernada a cizalladura doble se realizaron ensayos (Plazas, 2013) sobre 120 especímenes agrupados en cuatro rangos de diámetro, de acuerdo con la tabla 2.

La forma de los especímenes de las conexiones consistía en un canuto cerrado con sus dos nudos adyacentes y con una extensión longitudinal adicional entre 20 y 50 mm en ambos sentidos, como se ilustra en la figura 1. A una distancia LSPigual a 150 mm medida desde el extremo superior del culmo se realizó una perforación perpendicular a su eje, de manera que se pudiera colocar un perno atravesando las dos paredes. Durante la medición de los especímenes se registró tanto la longitud entre nudos LNcomo la distancia LNPentre el agujero del perno y el nudo comprimido (figura 1a) y (b)).

Para cada rango de diámetro del culmo se ensayaron 10 probetas de conexiones elaboradas para cada uno de los tres diámetros de perno seleccionados (3/8, 1/2 y 3/4"). Las perforaciones se realizaron con una holgura de 1/16", de acuerdo con lo especificado en el reglamento NSR-10.

Los ensayos se llevaron a cabo en el laboratorio de mecánica de materiales de la Universidad de La Salle, usando una máquina universal servo controlada, en la que se implementó un montaje diseñado para el proyecto (figura 2c). Para apoyar los extremos de las varillas se usaron pletinas con una perforación ajustada al diámetro de cada perno (figura 2 b) y d). La varilla se fijó al culmo de guadua empleando a cada lado un conjunto de una tuerca y dos arandelas: la primera de Neolite con un espesor de 4 mm y la segunda metálica (figura 2a). Finalmente, se usaron tuercas y arandelas para fijar la probeta al montaje ((figura 2b) y d)).

El control del ensayo se hizo por deformación y se usó una velocidad de 1,5 mm/min. Luego de que se presentara la falla en la conexión, se continuó con el ensayo hasta alcanzar un desplazamiento total de 25 mm, o hasta que la conexión perdiera el 50% de la carga pico.

Resultados

Para establecer la influencia del diámetro del perno y el espesor de la pared en la resistencia a cizalladura doble, para cada espécimen se calculó el esfuerzo promedio actuante a compresión ac aplicado por el perno sobre la pared de la guadua, usando la ecuación (1).

La carga máxima P obtenida en cada ensayo se relaciona con el área a compresión Ac, calculada usando la ecuación (2), como la proyección longitudinal de la zona de contacto entre el perno y la pared del culmo. En este caso, se considera que la transferencia de carga se realiza solo en la dirección paralela al culmo, tal como se ilustra en la figura 3.

Donde t es el espesor promedio de la pared del culmo y dpes el diámetro del perno.

En la figura 4 se presentan los valores de carga máxima en función del área a compresión para todos los especímenes. Se han trazado las líneas de tendencia para los tres grupos de diámetros de perno trabajados. El mayor valor de la pendiente, obtenido para los especímenes elaborados con pernos de 3/8", implica una mayor resistencia a nivel de esfuerzos. La pendiente disminuye a medida que se incrementa el diámetro del perno usado.

En la figura 5 se presenta el valor del promedio de los esfuerzos máximos a compresión y la desviación estándar para cada uno de los diámetros de perno. La resistencia decrece con el diámetro del perno; sin embargo, con pernos de mayor diámetro el valor tiende a estabilizarse alrededor del valor para la resistencia a la compresión determinado a partir de los ensayos de caracterización. La zona sombreada representa el intervalo de esfuerzo igual a una desviación estándar por encima y por debajo de la resistencia a la compresión paralela a la fibra. Las líneas punteadas corresponden al máximo y al mínimo valor de dicha resistencia, obtenidos en los ensayos de caracterización.

La figura 6 relaciona la carga máxima para cada espécimen con el espesor de la pared del culmo, para cada grupo de especímenes elaborados con el mismo diámetro de perno.

En la figura 7 se presentan los resultados de resistencia en función del diámetro exterior del canuto De, agrupados por diámetro del perno, con el fin de establecer una comparación con los valores propuestos por el reglamento NSR-10. En el reglamento NSR-10 no se encuentran disponibles valores para conexiones con pernos de 3/4", en su lugar se presentan los valores establecidos para pernos de 5/8".

De acuerdo con la figura 7, existe una correlación entre la resistencia a la cizalladura y el diámetro del culmo; sin embargo, el incremento de la resistencia que se presenta como función del diámetro, en realidad se encuentra relacionado con la tendencia a presentarse mayores espesores en culmos de mayor diámetro, como se muestra en la figura 8.

La alta dispersión de los resultados obtenidos experimentalmente se debe en gran parte a que para canutos con diámetros similares se puede tener un amplio rango de espesores de la pared, como se muestra en la figura 9.

Conclusiones

La resistencia de una conexión empernada en Guadua angustifolia, solicitada a cizalladura doble paralela a la fibra, está directamente relacionada con la resistencia a la compresión paralela a la fibra y el área de contacto entre el perno y la pared del canuto de guadua.

La resistencia de las conexiones empernadas ensayadas en este trabajo presenta coeficientes de variación del 20% en promedio para los tres diámetros de perno empleados en la conexión.

Las conexiones desarrolladas con pernos de menor diámetro tienden a presentar una mayor resistencia por unidad de área de contacto. Sin embargo, la variación del máximo esfuerzo en función del diámetro del perno indica que este no es el único parámetro que interviene en la resistencia mecánica de la conexión.

La influencia del diámetro externo del culmo en la resistencia mecánica de la conexión está directamente relacionada con la tendencia de la guadua a presentar mayores espesores de pared cuando sus diámetros exteriores son mayores.

Los valores de resistencia a la cizalladura doble paralela a la fibra para una conexión empernada presentados en el reglamento NSR-10 corresponden a una correlación que presenta grandes dispersiones. Por esta razón, pueden ser demasiado conservadores.

Se recomienda modificar los valores establecidos en la tabla G.12.11-2 del reglamento NSR-10 para la resistencia de la conexión a cargas paralelas a la fibra, y establecer un procedimiento de cálculo de la resistencia que dependa directamente del espesor de la pared en lugar del diámetro externo del culmo.

Agradecimientos

Los autores desean agradecer a la Universidad de La Salle por facilitar las instalaciones del laboratorio de mecánica estructural para la realización del programa experimental de esta investigación.


Referencias

Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica (2010). Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente NSR-10, Bogotá.

Camacho Páez, H. (2002). Estudio de conexiones en guadua solicitada a momento flector (trabajo de grado). Universidad Nacional de Colombia, Bogotá.

Clavijo, S. y Trujillo, D. (2000). Evaluación de uniones a tracción en guadua (trabajo de grado). Universidad Nacional de Colombia, Bogotá.

Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación (Icontec) (2007). Norma Técnica Colombiana 5525 Métodos de ensayo para determinar las propiedades físicas y mecánicas de la Guadua Angustifolia Kunth. Bogotá: Icontec.

Lamus, F. (2008). Calificación de una conexión viga-columna resistente a momento en Guadua angustifolia (tesis de maestría). Universidad Nacional de Colombia, Bogotá.

Lamus, F. y Takeuchi, C. (2009). Determinación de la rigidez de un tipo de conexión viga-columna en Guadua angustifolia. Epsilon, 13, 193-204.

Plazas, M. (2013). Estudio sobre la influencia del diámetro del perno en la resistencia al corte paralelo a la fibra en conexiones pernadas de Guadua angustifolia (trabajo de grado). Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Bogotá.

Prieto, R. (2004). Optimización de unión en guadua ante fuerza sísmica (tesis de pre-grado). Universidad Industrial de Santander, Bucaramanga.

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