En la parte 1, Sistemas de techos termoplásticos para reacondicionamiento: una evaluación de la resistencia al viento, proporcionamos información sobre lo siguiente:
- Cuatro (4) métodos para recuperar un techo de paneles metálicos
- Las múltiples opciones para fijar un sistema termoplástico a un techo de paneles metálicos
- Un ejemplo de cálculo de las presiones de diseño por succión del viento y los patrones de fijación apropiados que ofrecen la capacidad de resistencia necesaria
- Preocupaciones de la industria respecto a la succión del viento cuando el sistema termoplástico para reacondicionamiento no se fija en cada correa
En este blog analizamos las cuatro pruebas físicas a escala real que se realizaron para determinar su capacidad de resistencia a la succión del viento.
Pruebas físicas
No existen estudios de validación o datos disponibles públicamente que respalden un enfoque particular para la instalación de sistemas de techos termoplásticos para reacondicionamiento (RSPRS). Los métodos de fijación no validados podrían provocar fallas durante eventos de viento. Por lo tanto, el objetivo del programa de pruebas físicas de GAF fue determinar la resistencia a la succión del viento de los RSPRS fijados directamente a correas. Se probaron diversos patrones de fijación y densidades de sujetadores para comprender mejor el efecto de las cargas de viento sobre estos sistemas. Las pruebas físicas se realizaron en el Departamento de Ingeniería Civil, Arquitectónica y Ambiental de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Missouri, en Rolla, MO (MS&T).
Construcción del techo de prueba
Se construyeron y probaron cuatro techos de prueba a escala real en una cámara de 10 pies de ancho por 20 pies de largo. Los techos de prueba fueron instalados por Missouri Builder Services, Jefferson City, MO, bajo la supervisión de GAF. Una vez construidos los techos de prueba, el equipo de investigación de MS&T instrumentó los ensamblajes para la recolección de datos.
Los cuatro techos de prueba consistieron en paneles estructurales metálicos de 24 pulgadas de ancho y calibre 24, sujetos a correas tipo Z de calibre 16 con clips de expansión ocultos y tornillos para correas. Las correas se conectaron y soportaron mediante canales de acero horizontales, y esta construcción de correa/canal tuvo como soporte cuatro columnas de acero dispuestas verticalmente. Para completar la muestra de prueba, se instaló aislante de poliisocianurato de relleno de canal, aislante de poliisocianurato de hoja plana y una membrana de TPO de 60 mil fijada mecánicamente. Antes de la instalación de la membrana, el aislante se fijó mecánicamente con una cantidad mínima de sujetadores para evitar desplazamientos durante las pruebas. La sección transversal muestra una representación gráfica del sistema RSPRS completo sobre el sistema de techo de panel metálico estructural.
Para las pruebas 1, 2 y 3, se utilizaron sujetadores para correas y placas con púas de 2 3/8 pulgadas para fijar la membrana, simulando una instalación con "correas". Los sujetadores y las placas no fueron integrados de forma especial. Para la prueba número 4, se utilizaron sujetadores para correas y placa de sujeción por inducción con recubrimiento especial de 3 pulgadas.
Las correas en todas las pruebas fueron fijadas a canales en "C". Esto no permitió la recolección de datos en la conexión entre la correa y el marco principal. Cuando un RSPRS se fija mecánicamente a cada segunda correa, la trayectoria de carga se altera significativamente. Esto plantea una pregunta sobre el efecto en la capacidad de resistencia a la succión del viento del edificio metálico existente cuando se altera la ruta de carga. Puedes encontrar más información sobre ese tema aquí. Por lo tanto, se recomienda consultar a un ingeniero estructural cuando se altere la trayectoria de carga de una estructura existente.
Resultados y discusión
La tabla presenta las cargas máximas alcanzadas, el área tributaria y la carga por sujetador, además del método de fijación utilizado. El término "carga máxima" se refiere al punto de falla del sistema de techo durante las pruebas físicas.
Prueba número 1
El patrón de fijación para la prueba número 1 consistió en filas de sujetadores separadas por 5 pies o.c. y una separación de 12 pulgadas entre los sujetadores dentro de la fila. La prueba número 1 falló cuando la membrana se rompió simultáneamente en siete ubicaciones de sujetadores en la correa central. El sistema logró soportar 160.1 psf sin problemas, pero falló al aumentar la presión a 174.5 psf. La membrana se desprendió en las cinco ubicaciones centrales de las placas de sujeción, siguiendo un patrón circular a lo largo de los bordes exteriores de dichas placas. Las dos fallas exteriores resultaron en desgarros en forma de "L" de la membrana, lo que se atribuyó a las condiciones de contorno de la cámara de prueba. Las placas de sujeción se deformaron hacia arriba. Hubo varias ubicaciones de deformación permanente hacia arriba de la membrana.
Foto del resultado de la prueba número 1.
La deformación permanente hacia arriba de la membrana fue evidente a lo largo de los bordes de las filas de sujetadores, como se puede observar en la fila superior de sujetadores en la foto. Hubo muy poca deformación permanente hacia arriba de la membrana en la línea central entre los sujetadores dentro de una misma fila. Este patrón de deformación lleva a la creencia de que la carga dentro de la membrana se transfiere de una fila de sujetadores a otra, y no significativamente de sujetador a sujetador dentro de una misma fila.
Prueba número 2
El patrón de fijación para la prueba número 2 consistió en filas de sujetadores separadas por 5 pies o.c. y una separación de 24 pulgadas entre los sujetadores dentro de la fila. La prueba número 2 falló cuando la membrana se rompió simultáneamente en las tres ubicaciones centrales de los sujetadores en la fila del cuarto norte. El sistema logró soportar 116.9 psf sin problemas, pero falló al aumentar la presión a 124.1 psf. La membrana se deslizó sobre las tres ubicaciones centrales de las placas de sujeción dentro de la fila. La ruptura central fue circular en la placa de sujeción. Las dos rupturas externas fueron de forma de "D"; los bordes rectos se atribuyeron a las condiciones de contorno de la cámara de prueba.
Foto de la ruptura de la membrana en la ubicación de la placa de sujeción central para la prueba número 2.
El área tributaria de cada sujetador para la prueba número 2 era el doble que la de la prueba número 1. Esto dio lugar a la hipótesis de que la carga máxima para la prueba número 2 sería la mitad de la carga de la prueba número 1, es decir, 81.4 psf. Sin embargo, la carga máxima fue de 119.5 psf, que es aproximadamente un 73 % de la de la prueba número 1. Se cree que esto indica que la membrana pasó de una carga unidireccional a una carga bidireccional más eficiente.
La carga no solo se distribuyó a lo largo del tramo de 5 pies de correa a correa (como ocurrió en la prueba número 1), sino que también se distribuyó entre los sujetadores dentro de una misma fila. Las cargas de levantamiento ejercían fuerza sobre los sujetadores y las placas de sujeción desde todos los lados (carga bidireccional) en lugar de solo desde dos lados (carga unidireccional). Durante la prueba, la membrana se desvió hacia arriba aproximadamente 4 pulgadas entre los sujetadores dentro de una misma fila. Las cargas se distribuyeron más equitativamente dentro de la membrana y alrededor de la placa del sujetador; por lo tanto, la carga por sujetador aumentó de 813.5 libras (prueba número 1) a 1195 libras (prueba número 2).
La membrana resistió las cargas de elevación en dos direcciones generalizadas: entre las filas de sujetadores y entre los sujetadores dentro de una misma fila, lo cual se alinea con las fibras de refuerzo en la dirección de la máquina (MD) y en la dirección transversal a la máquina (XMD) dentro de la membrana, respectivamente. La membrana tuvo deformación permanente hacia arriba entre las filas y entre los sujetadores dentro de una misma fila debido a esta carga bidireccional. La deformación permanente hacia arriba de la membrana fue circular alrededor de los sujetadores.
Prueba número 3
El patrón de sujeción para la prueba número 3 consistió en filas de sujetadores a intervalos de 5 pies o.c. y una separación de 36 pulgadas entre los sujetadores dentro de la fila; los sujetadores estaban escalonados fila a fila. La prueba número 3 falló cuando la membrana se rompió en una sola ubicación de sujetador en la fila del cuarto sur de los sujetadores. El sistema logró soportar 59.3 psf sin problemas, pero falló al aumentar la presión a 66.5 psf. La membrana se desprendió sobre la placa del sujetador más central dentro de la misma fila (en el círculo rojo).
La foto muestra un primer plano de la ubicación de la falla en la prueba número 3. La falla fue en forma de "D", similar a las ubicaciones de falla de la prueba número 2. El borde plano estaba en el borde exterior de los techos de prueba; el borde redondeado estaba hacia el centro del techo de prueba.
Al igual que en la prueba número 2, se observó una deformación circular permanente hacia arriba de la membrana en las ubicaciones de los sujetadores de la prueba número 3, como se muestra en la Figura 10. Esto muestra que la membrana está siendo cargada en la MD y XMD. Esto se debe a la relativamente amplia separación de los sujetadores (2 pies y 3 pies) en comparación con la prueba número 1, que tenía una separación de 1 pies entre los sujetadores dentro de una misma fila.
El área tributaria de cada sujetador en la prueba número 3 fue un 50 % mayor que en la prueba número 2. Esto llevó a la hipótesis de que la carga máxima sería 2/3 de la prueba número 2, o aproximadamente 79.7 psf. Sin embargo, la carga máxima fue de 61.9 psf, lo que es aproximadamente el 52 % de la de la prueba número 2.
Al comparar las pruebas 3 y 1, las suposiciones tradicionales basadas en el área tributaria llevarían a esperar que la carga máxima para la prueba número 3 sea el 1/3 de la carga de la prueba número 1. La carga máxima de la prueba número 1 fue de 162.7 psf, por lo que la carga máxima esperada para la prueba número 3 fue de 54.2 psf. La carga máxima real de la prueba número 3 fue de 61.9 psf, lo que es aproximadamente el 38 % de la de la prueba número 1.
Aunque la carga bidireccional de la membrana parece aumentar la carga máxima esperada de un sistema de techo en relación con la expectativa tradicional de carga de falla unidireccional, parece haber un límite para este aumento. Para esta serie de pruebas, el límite parece ser de 5 pies o.c. para las filas de sujetadores con una separación de 24 pulgadas entre sujetadores dentro de cada fila.
Prueba número 4
El patrón de sujeción para la prueba número 4 fue con filas de sujetadores a 5 pies o.c. y una separación de 24 pulgadas entre los sujetadores en cada fila; los sujetadores estaban desfasados de fila a fila y eran soldados por inducción. La prueba número 4 falló en dos ubicaciones: una placa de sujetador se desplazó sobre la cabeza del sujetador, y la membrana se separó en la capa de refuerzo en la placa de sujetador soldada adyacente. El sistema logró soportar 59.3 psf sin problemas, pero falló al aumentar la presión a 66.5 psf. Las fallas ocurrieron en la fila de sujetadores del cuarto sur. La foto muestra las ubicaciones de las 2 fallas para la prueba número 4.
En la prueba número 4 se utilizaron sujetadores soldados por inducción, lo que significa que las placas de sujetador estaban debajo de la membrana. Por lo tanto, se cortó la membrana para poder evaluar cada falla.
Según la observación audible en el momento de la falla, las dos fallas ocurrieron "simultáneamente". Fue difícil determinar mediante una inspección visual qué ocurrió primero: si el desprendimiento de la placa del sujetador sobre la cabeza del sujetador o la delaminación de la membrana en la placa del sujetador.
Las pruebas número 4 y número 2 tienen la misma área tributaria por ubicación de sujetador: 10 pies cuadrados. Sin embargo, la prueba número 2 alcanzó una carga máxima de 119.5 psf, y la prueba número 4 alcanzó una carga máxima de 64.8 psf. Todos los componentes eran idénticos en ambos techos de prueba, excepto por la combinación de sujetador y placa, y los sujetadores de la prueba número 4 estaban escalonados entre filas.
El sujetador sobre la membrana (por ejemplo, un sujetador en la unión) tiene un diámetro de 2 3/8 pulgadas. Una placa de sujetador soldada por inducción tiene un diámetro de 3 pulgadas y está construida de manera que una superficie elevada en forma de "anillo" se adhiere a la membrana, no a toda la placa de sujetador.
El área de una placa de sujetador estándar sobre la membrana de 2 3/8 pulgadas es de aproximadamente 4.4 pulgadas cuadradas. El área de la superficie de acoplamiento para una placa de sujeción soldada por inducción es de aproximadamente 3.3 pulgadas cuadradas. Por lo tanto, una placa de sujeción soldada por inducción tiene aproximadamente el 75 % del área de superficie de una placa de sujeción tradicionalmente unida mecánicamente para restringir la membrana.
La carga individual por sujetador en la prueba número 2 (con la misma área tributaria que la prueba número 4) fue de 1195 libras. Una extrapolación directa a la placa de sujeción soldada por inducción (al 75 %) lleva al valor estimado de carga por sujetador para la prueba número 4, que sería de 896 libras. Esta estimación parte del supuesto de que el refuerzo es el punto débil; sin embargo, la prueba muestra claramente que la conexión entre la tapa y el núcleo es el verdadero punto débil. Por lo tanto, tiene sentido que la carga de falla por sujetador en la prueba número 4 fuera inferior a 896 libras. De hecho, fue de 648 libras por sujetador.
El análisis de estos dos tipos de métodos de sujeción y modos de falla respalda el resultado de que la prueba número 4 tiene una resistencia a la succión del viento inferior a la prueba número 2, aunque el área tributaria para cada sujetador es la misma en las pruebas 2 y 4.
Conclusiones y recomendaciones
La revisión y el análisis de las cuatro pruebas físicas a escala completa de los sistemas de techos termoplásticos para reacondicionamiento instalados sobre sistemas de techos de paneles metálicos estructurales llevaron a varias conclusiones. Dichas conclusiones son las siguientes:
- La resistencia al levantamiento de los sistemas de techos termoplásticos para reacondicionamiento (RSPRS) y las cargas individuales de los sujetadores en un RSPRS están basadas en la resistencia del refuerzo de la membrana y la carga unidireccional frente a la carga bidireccional del refuerzo.
- Reducir la densidad total de sujetadores incrementa el área tributaria para cada sujetador. Como se esperaba, la carga máxima se reduce con áreas tributarias más grandes.
- La carga bidireccional de la membrana aumenta la carga máxima esperada de un sistema de techo en relación con la extrapolación lineal basada en el área tributaria del sujetador. Sin embargo, parece haber un límite para este aumento esperado. Para esta serie de pruebas, la carga máxima superó las expectativas para el patrón de sujeción de la prueba número 2, pero la carga máxima estuvo más en línea con las expectativas tradicionales de extrapolación lineal para el patrón de sujeción de la prueba número 3.
- Este trabajo enfatiza las limitaciones de la extrapolación y valida el uso de pruebas físicas para determinar la resistencia al levantamiento de los sistemas de techos.
- Se observó deformación permanente de la membrana al finalizar las cuatro pruebas físicas, sin que esto representara un problema de impermeabilidad. El procedimiento de prueba realizado no determinó en qué presión durante el ciclo de prueba comenzó la deformación de la membrana. Esta observación puede proporcionar una explicación para los "pliegues" observados en membranas mecánicamente adheridas que han experimentado eventos de viento fuertes.
Para más información sobre este tema, aquí está el artículo de GAF que se presentó en la Convención y Feria Comercial IIBEC de 2020, y aquí hay un seminario web presentado a principios de 2020.
