Diseño de Muros Estructurales ING. ROBERTO MORALES MORALES
Muros especiales
• Terminología
bw hw lw
Vu
CONSIDERACIONES DE DISEÑO DE MUROS DUCTILES
-
hw 2 lw Comportamiento similar a una viga en voladizo
-
Momentos grandes en la base del muro : Formación de rótulas plásticas
-
en una longitud apreciable (0.5d
-
Fuerzas cortantes significativas : Fisuramiento por tracción diagonal.
Muros Esbeltos:
w
a 1.0 d w)
hm ín 1.5 l w Longitud probable de rótulas plásticas Vu Vbase
Muros Cortos: -
hw 2 lw
Cargas verticales relativamente pequeñas Requerimientos menores por flexión (momentos de volteo) La fuerza cortante significativa: Fisuramiento por tracción diagonal.
Muros especiales • Se suprimió el procedimiento de tener que resistir todas las fuerzas sísmicas de flexión con los elementos de borde únicamente.
Pu Mu Ptu
Pu Mu 0 A g l w 300 mm
Pcu
Pu Mu 2 l w 300 mm
REFUERZOS EN MUROS ESTRUCTURALES
n 0.0025 v 0.0025
Si Vu 0.53
'
f c A CV , entonces se pondrán 2 capas de refuerzo o más. v h Para muros bajos: h w / l w 2 ESPACIAMIENTOS MAXIMOS:
- HORIZONTAL - VERTICAL
: :
45 cm. 45 cm.
RESISTENCIA AL CORTANTE DE MUROS ESTRUCTURALES
Vn A CV ( c
f ' c n fy )
hw 1.5 lw hw c 0.53 para 2.0 lw Para valores de h w / l w entre 1.5 y 2.0, se interpolará linealmente los valores de c . c 0.80 para
ELEMENTOS DE BORDE O DE CONFINAMIENTO EN MUROS ESTRUCTURALES a) Los muros continuos desde la cimentación hasta el extremo superior que tienen una sección crítica por flexión y carga axial, la zona de compresión será reforzada con elementos de borde especiales: c
lw 600( u hw )
donde : u hw 0.007 c = profundidad del eje neutro. u = desplazamiento de diseño.
Verticalmente el refuerzo deberá extenderse una distancia:
Mu lw ; 4Vu 2
b) Se pondrán elementos de confinamiento especiales, donde el esfuerzo de compresión máxima que ocurre en la fibra extrema es mayor que 0.20 f ’c. Se puede discontinuar estos elementos si el esfuerzo de compresión es menor de 0.15 f ’c. Estos esfuerzos se determinaran mediante un análisis lineal elástico, usando las propiedades de la sección.
c 0 .1 l w c/2
c 0 .1 l w c/2 30 cm
El refuerzo transversal de los elementos de borde deberá satisfacer los requerimientos para columnas especiales; este deberá extenderse por lo menos 30 cm en la base.
Donde no se requiera elementos de borde deberá satisfacerse lo siguiente: 28 .2 a) Si , se colocará refuerzo transversal especificado para columnas, a un espaciamiento no fy mayor de 20 cm. ' b) Si Vu 0.27 Acv f c , el refuerzo horizontal deberá terminar en ganchos de 90° o se colocará un estribo en U.
Determinación de la cuantía longitudinal en Elementos de Borde
nAb t w 2 x a
2 Ab tws
n = número de varillas. A b = Area de una varilla
Diseño por Flexo-compresión Teniéndose la distribución del acero vertical, se elabora el diagrama de interacción del muro con la cual verificamos que nuestros valores M u y Pu se encuentren dentro de la zona del diagrama de interacción. En caso contrario será necesario hacer uso de diagramas hechos para una distribución dada de acero y calcular nuestra área de acero necesaria.
Pn
´ c
f bh
Mn f c´bh
MUROS ESTRUCTURALES • Establecimiento de criterios para conseguir muros en voladizo que posean características de ductilidad y de disipación de energía.
• Es posible si la flexión en lugar del cortante domina la respuesta del muro. Vω = ωv e Ve ,donde
Ve = Cortante debido a las cargas laterales del código ωv = Factor de amplificación dinámica por cortante • La profundidad del eje neutro c (en la sección crítica) relativa a la longitud del muro debe ser pequeña. • Si esto no es posible,una parte de la zona de compresión por flexión debe ser confinada para tener: εc = 0.004 a 0.010
Confinamiento del Extremo Comprimido de una Sección de Muro
Muros Bajos
• En muros bajos (altura / longitud 2) también es posible desarrollar ductilidad de flexión,impidiendo movimientos de deslizamiento significativo usando barras diagonales adicionales.
Muros estructurales dúctiles • Aunque es deseable elementos verticales de confinamiento de borde,no son considerados indispensables si el espesor del muro es suficiente para asegurar que no ocurrirá pandeo fuera de su plano. • Deben hacerse detalles típicos de confinamiento en las zonas de compresión calculadas.
Confinamiento del Extremo Comprimido de una Sección de Muro
Muros Bajos • Puede evitarse la falla de corte por deslizamiento usando barras diagonales adicionales,asegurando una respuesta flexionante muy dúctil.
Refuerzo Convencional del Muro con Refuerzo Adicional Diagonal
MUROS ESTRUCTURALES ACOPLADOS • Este sistema estructural es considerado particularmente apropiado para resistir sismos severos: 1. Por su rigidez. 2. Por su potencial de disipación de energía. • La disipación de energía es asignada a las vigas de acoplamiento dúctiles.
Muros acoplados y vigas de conexión
• Vigas de acoplamiento en muros acoplados
MUROS ACOPLADOS Modos de falla
1.Falla por flexión de las vigas de acoplamiento 2.Falla por corte o ruptura diagonal 3.Falla por acción rígida de las vigas de acoplamiento
MODO DE FALLA 1 Falla por flexión en las vigas de acoplamiento Ocurre en muros con vigas de acoplamiento poco peraltadas y refuerzo por flexión moderado.
Inicialmente, bajo la acción de la carga lateral,se formarán grietas de flexión en el muro traccionado. Las vigas de los primeros niveles más esforzados, presentarán grietas de flexión cerca de las juntas con los muros.
Al incrementarse la carga, las grietas avanzarán profundamente en el muro, formándose más grietas a lo largo de éste.
Asimismo, las grietas de flexión se extenderán en las vigas de acoplamiento.
Si la carga continúa incrementándose, la falla del muro ocurrirá por aplastamiento del concreto en la esquina más esforzada y la difusión de las grietas de flexión en la mayoría de las vigas, como se indica en la fig. 1(a)
Modo de Falla 2 Falla por corte o ruptura diagonal Se presenta en los muros de corte acoplados con vigas muy peraltadas y moderadamente reforzadas. Inicialmente, se forman grietas de flexión en el muro en tracción. También se formarán grietas menores de flexión en las vigas, cerca de la conexión con los muros. Al incrementarse la carga, se producirán grietas de ruptura diagonal en las vigas cercanas a los niveles más esforzados.
Mientras la carga aumenta, se incrementarán las grietas de flexión ya formadas en el muro.
Asimismo se acentuará la ruptura diagonal en otras vigas. Como en el caso anterior la falla del sistema ocurrirá con el aplastamiento de la esquina más esforzada del muro en compresión. La falla por ruptura diagonal de la mayoría de las vigas ocurrirá simultáneamente con el aplastamiento del muro. El modo de falla se muestra en la fig. 1 (b).
Modo de Falla 3 Por acción rígida de las vigas de acoplamiento En este caso la acción de acoplamiento es muy fuerte ocurriendo la falla del sistema por aplastamiento del concreto en la esquina más esforzada del muro comprimido, con daño parcial o ninguno en las vigas de acoplamiento. En este modo de falla se producirán gran cantidad de grietas a lo largo del muro en tracción. En las vigas sólo se desarrolla parcialmente la falla, ya sea por flexión o por corte. La falla de la estructura será similar a la de una viga en voladizo sometida a carga lateral. El modo de falla se muestra en la fig. 1(c).
RESPUESTA SISMICA DE EDIFICACIONES DE MUROS ACOPLADOS DE C.A. A. Aktan y V. Bertero (1986), ensayaron dos estructuras de muros acoplados de 4 pisos de C.A. a escala 1/3. Uno de los muros acoplados fue diseñado en completo acuerdo con el Código Uniforme de edificaciones, UBC-73 y el otro especimen, las vigas de acoplamiento fueron diseñadas por flexión considerando cuantías menores que las requeridas por el código.
RESPUESTA SISMICA DE EDIFICACIONES MUROS ACOPLADOS DE C.A.
DE
RESPUESTA SISMICA DE EDIFICACIONES DE MUROS ACOPLADOS DE C.A.
RESPUESTA SISMICA DE EDIFICACIONES
DE
MUROS ACOPLADOS DE C.A. Los dos modelos representaron el sub-ensamblaje de los cuatro primeros pisos de una edificación de 15 pisos. Las respuestas se evaluaron en los estados de servicio, de daño y de límite de falla.
En el primer especimen se usó un concreto de 420 Kg/cm2 y una cuantía promedio del 1% para el refuerzo superior e inferior de la viga de acoplamiento (sin considerar la contribución del acero de la losa en el refuerzo superior de la viga). En el segundo especimen se usó un concreto de 315 Kg/cm2 (4.5 ksi) y una cuantía para las vigas de acoplamiento de solamente la cuantía mínima de 0.33% (para acero de 4200 Kg/cm2 ).
RESPUESTA SISMICA DE EDIFICACIONES DE MUROS ACOPLADOS DE C.A. Ambos especimen experimentaron un tipo similar de falla semi-frágil en el primer piso cuando el panel del componente muro sujeto a incremento de comprensión falla por aplastamiento del concreto. En la falla ambos especimenes tienen el mismo desplazamiento de entrepiso de 0.94% de la altura de piso para el primer piso, mientras que los desplazamientos de entrepiso para el cuarto piso fueron de 1.25% y 1.34% respectivamente. Después de la falla, los desplazamientos inducidos fueron invertidos hasta que el componente muro que fue previamente sujeto a tensión falle por comprensión.
RESPUESTA SISMICA DE EDIFICACIONES DE MUROS ACOPLADOS DE C.A. Progresivamente se incrementaba el desplazamiento de entrepiso a mas de 1.5%, en orden de estudiar las características de respuesta de post – falla (como la resistencia sostenida) de los especimenes.
El “muro de tracción”, contribuyo en el especimen 1 con un 10% para el cortante total en la base y en el especimen 2 con un 30%. Para el nivel de carga de servicio, el especimen 1 fue 2.6 veces mas rígido que el especimen 2, afectado por la degradación que tuvieron debidos a ensayos previos.
Aunque el especimen 1 tuvo mayor rigidez y resistencia, la impresión fue mayor con la perfomance del especimen 2, especialmente por su capacidad de mantener un porcentaje grande de su resistencia estática después de la falla.
Para el especimen 2 la flexión fue mas predominante que el cortante en la región critica en la falla.
Para el especimen 1, la columna de borde no pudo tomar los incrementos de demanda y falló por cortante, resultando en una disminución rápida de la capacidad lateral del subensamblaje total, y un incremento de la deformación lateral.
Sin embargo para el especimen 2, la columna de borde adyacente a la zona de falla del panel, fue capaz de tomar los incrementos de demanda sin falla. Y un porcentaje significativo de la capacidad estática máxima pudo ser sostenida bajo incrementos de la deformación lateral. En vista de las incertidumbres en el nivel esperado de las demandas de fuerzas sísmicas, se considera al ESPECIMEN 2 que tiene un mejor diseño sismo – resistente. Aunque su resistencia fue menor en un 20% que el de especimen 1, su capacidad de disipación de energía fue mucho mayor.
El comportamiento superior de post – falla de especimen 2 fue atribuido al diseño de la viga de acoplamiento.
Es de notar que si las vigas de acoplamiento se diseñan usando cuantías mayores a las utilizadas en el especimen 1, pueden afectar adversamente la deformabilidad y la capacidad de disipación de energía de la estructura, y puede conducir a una perfomance indeseable en el caso de un evento sísmico extremo esperado en regiones de alta sismicidad.
Un medio para retrazar la falla del panel puede obtenerse mejorando el detallado del refuerzo de los muros, uniendo en las regiones criticas del panel las dos mallas de refuerzo por vínculos espaciados cercanamente, así el concreto puede estar parcialmente confinado, y retrazará la ruptura del concreto.
Si la estructura hubiese sido dimensionada de manera que la fuerza axial en el muro a compresion sea del orden de la carga balanceada, Nb, las respuestas podrían no haber sido las deseables.
Las respuestas medidas de las estructuras ensayadas permanecieron excelentes hasta niveles de desplazamiento de entrepiso de 1%.
MUROS ACOPLADOS Usuales en Nueva Zelanda Las vigas de acoplamiento dimensionadas como viga-pared y reforzadas convencionalmente como columnas cortas, fallan usualmente por tracción diagonal. En Nueva Zelanda es rutina el uso de refuerzo diagonal que asegura una respuesta histerética excelente.
Usuales en EE.UU. Hay investigaciones recientes que muestran que si se diseñan vigas normales de acoplamiento y reforzadas con cuantías muy pequeñas, aún menores al mínimo especificado en los códigos de concreto armado, se consigue que tengan una falla dúctil deseable. Además es necesario que primero se alcance la capacidad estática de las vigas de acoplamiento antes que la de los muros.
DISTRIBUCION DE REFUERZO EN VIGAS DE ACOPLAMIENTO REFORZADAS DIAGONALMENTE
Modelo de Vigas de Acoplamiento Reforzadas Diagonalmente a) Geometría del reforzamiento b) Acciones Externas c) Fuerzas Internas
MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN
