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ASPECTOS REGLAMENTARIOS EN EL DISEÑO DE CONEXIONES DE ESTRUCTURAS PREFABRICADAS EN MÉXICO 4º SEMINARIO SMIE SMIE – – ANIPP ANIPPAC AC CONEXIONES 7 – 8 de Septiembre de 2012

Ing. David F. Rodríguez D.

INDICE y conceptos 1 Términos y conceptos

2 Elementos estructurales resistentes a Fuerzas Horizontales Antecedentes – Reglamentos de diseño de conexiones en México 3 Antecedentes

4 Criterios de diseño de conexiones NTC ‐04 4.1 Criterios de diseño de conexiones fuertes NTC ‐04 4.2 Soldadura en conexiones fuertes. 4.3 Conexiones dúctiles NTC ‐04 Avances en el diseño el diseño de conexiones prefabricadas 5 Avances

6 Conclusiones

INDICE y conceptos 1 Términos y conceptos

2 Elementos estructurales resistentes a Fuerzas Horizontales Antecedentes – Reglamentos de diseño de conexiones en México 3 Antecedentes

4 Criterios de diseño de conexiones NTC ‐04 4.1 Criterios de diseño de conexiones fuertes NTC ‐04 4.2 Soldadura en conexiones fuertes. 4.3 Conexiones dúctiles NTC ‐04 Avances en el diseño el diseño de conexiones prefabricadas 5 Avances

6 Conclusiones

PRIMERA PARTE

TÉRMINOS Y CONCEPTOS

Términos y Conceptos De acuerdo al Manual de Anippac

Clasificación General de Conexiones Prefabricadas: 1.‐ Conexiones Fuertes (secas ó soldadas)

Nudo.‐ Volumen geométrico que es común en miembros que se intersectan.

Conexión.‐ Elemento que une los dos elementos prefabricados, o uno prefabricado y otro colado en sitio.

2.‐ Conexiones que “Emulan” el comportamiento de las estructuras Coladas en Sitio. (Húmedas) 3.‐ Conexiones Hibridas (Postensadas) De estos 3 tipos generales se han desarrollado diversos sistemas de conexiones de estructuras prefabricadas.

Términos y Conceptos 1.‐ Conexiones Fuertes: También conocidas como secas ó soldadas. Estas conexiones deben permanecer elásticas mientras que las zonas diseñadas para tener un comportamiento inelástico en la estructura tienen incursiones inelásticas para el sismo de diseño empleado. Es decir la conexión debe resistir de manera sobrada las acciones que actuarán en ella para el sismo de diseño ya que su modo de falla es del tipo frágil.

Términos y Conceptos 1.‐ Conexiones Fuertes: Columna Prefabricada Viga Prefabricada

Viga Prefabricada

= h/2 Columna Prefabricada

= h/2

h

h 2

h 2

Zona para comportamiento inelastico

h 2

Conexión Fuerte

h 2

Zona para comportamiento inelastico

Conexión Fuerte (a) (b)

Localización de regiones para comportamiento inelástico ( Ghosh et al, 1997)

Términos y Conceptos CONEXIONES FUERTES (SECAS) Ventajas: Montaje continuo, no requiere del colado de nudos. Puede usarse fácilmente en columnas con elevada cuantía. 



Desventajas: La estructura NO es dúctil Se requiere soldadura. Se requieren de accesorios metálicos, fabricados con soldadores certificados y con procedimientos normados. Se debe Inspeccionar la soldadura en planta y en obra. Si se tiene que aplicar soldadura de cabeza se requieren soldadores con certificación 4G. 









Términos y Conceptos 2.‐ Conexiones que Emulan a las Coladas en sitio. (Dúctiles) También conocidas como Húmedas por que se requiere que sea colada en sitio. Estas conexiones son capaces de tener incursiones cíclicas inelásticas de sismos moderados ó intensos sin que la resistencia se vea afectada. El acero de refuerzo de la conexión debe cumplir los requisitos de adherencia y anclaje principalmente, además de los requisitos de las estructuras dúctiles establecidas en los reglamentos.

Términos y Conceptos 3.‐ Conexiones Hibridas Las vigas se conectan a columnas de varios pisos mediante cables postensados que van dentro de tubos de PVC por el centro de las vigas, cruzando las columnas. Antes de tensar los cables, se pone grout con fibra, en la separación entre las vigas y las columnas. Los cables generalmente se tesan a 0.5 f pu, donde es f pu es la resistencia última del cable postensado. Este bajo nivel de presfuerzo aplicado asegura que el cable no alcance el límite de proporcionalidad cuando al unión rota 0.04 radianes.

Los movimientos del suelo provocados por los sismos, presentan un desafío en el diseño de estructuras. Las Fuerzas que la estructura debe resistir durante un sismo, surgen debido a los desplazamientos causadas por los movimientos del suelo que la soportan. Muros de Cortante

inicio

Marcos Resistentes A Momento

SEGUNDA PARTE

ELEMENTOS ESTRUCTURALES RESISTENTES A FUERZAS HORIZONTALES

fin

Elementos Resistentes a Fzas Horizontales • COMPONENTES ESTRUCTURALES : Cuando diseñamos una estructura prefabricada la debemos ver como un sistema integral resistente a fuerzas gravitacionales y accidentales compuesta por todas sus partes interactuando como un solo sistema. Estos componentes estructurales son: • DIAFRAGMAS: Sistema de Piso • MUROS DE CORTANTE: Muros que toman

fuerzas horizontales provocadas por el sismo

• MARCOS: Columnas y trabes portantes y de

rigidez capaces de transmitir momentos ocasionados por el sismo.

• CIMENTACIÓN

Los Diafragmas, muros, marcos y la cimentación de los edificios, son los elementos clave por donde transitan las cargas a través de la estructura. Las conexiones entre estos elementos, son componentes importantes que forman las rutas por donde las cargas horizontales y verticales se distribuyen por la estructura. Un edificio bien diseñado y bien construido puede llevar las cargas horizontales desde la estructura hasta la cimentación de manera fiable, donde el suelo que la soporta puede resistirlas. La resistencia sísmica de un edificio queda definida por lo fuerte o lo débil que sean las conexiones entre todos sus componentes estructurales.

Sistemas Estructurales Prefabricados. Respuesta de los Diafragmas ante sismo: Los diafragmas de azotea y entrepiso en un edificio de concreto son típicamente el piso que une a los muros de cortante, o marcos colados en sitio o prefabricados. Cuando son sometidos a las fuerzas laterales causadas por el sismo, los diafragmas responden como vigas de momento de poco peralte en el plano horizontal. Las fuerzas que se presentan en ellos son de tensión, compresión y cortante.

Sistemas Estructurales Prefabricados. Respuesta de los Muros de Cortante ante sismo: Los muros de cortante son como vigas en cantiliver de mucho peralte. Una vez que las fuerzas a lo largo del eje del diafragma se han transmitido en el muro de cortante, se ocasionan momentos flexionantes así como fuerzas de cortante en el plano del muro. La resistencia al volteo y deslizamiento bajo esos momentos flexiontes y cortantes, es resistido por la cimentación a donde esas fuerzas serán transmitidas. El momento flexionante llamado a veces como momento de volteo, se incrementa desde el extremo superior hasta la base del muro causando fuerzas de tensión y compresión en el plano del muro, que son máximas en los ejes extremos del muro.

V

P

Los muros de cortante, son el sistema resistente a fuerzas laterales más común en los edificios prefabricados. El excelente desempeño de los muros de cortante en edificios mostrado en sismos de todo el mundo, han mostrado la efectividad del sistema.

Muro

Sistemas Estructurales Prefabricados. Respuesta de los Marcos ante sismo:

f

e s o d n é i n o p O n ó i c c a r e t n o I d n a d u y A

Los marcos responden de manera diferente a los muros para resistir fuerzas horizontales. El esfuerzo de tensión, causado por la deformación del marco ante fuerzas P laterales debe ser resistido por acero refuerzo. La deformación ocasiona también fuerza cortante vertical en las vigas y cortante horizontal en las columnas. Por lo que se debe proveer de estribos verticales de refuerzo para cortante en vigas y horizontales en columnas.

Marco

Sistemas Estructurales Prefabricados. Columna

Respuesta de la Cimentación ante sismo:

Candelero Prefabricado

Mortero de Relleno

Las fuerzas cortantes y momentos flexionantes son transmitidas a la cimentación desde los muros y marcos a las zapatas mediante el acero de refuerzo embebido de las columnas y muros a los dados de la cimentación ó mediante candeleros y colado de la holgura con la columna.

P V D

e D

h

T=C/2

C F2

F1

R

F3

D

C

1 Y

T=C/2

C22

1

Xn

dt

XR Ts

dc

Refuerzo de la cimentación

Y 2 3 / ) 1 e Y D 2 *

C

e

D (

Cs

C22

Cc

Base del candelero

F3

Pared del candelero

Articulación plástica

a)

d)

b)

c)

e)

Mecanismo de colapso estático: a) Marco, b) Mecanismo de columna, c) Mecanismo de viga, d) Muro en voladizo y mecanismo y e) Muro acoplado y mecanismo.

Cuando la estructura responde elásticamente al movimiento del suelo durante un sismo intenso, la máxima respuesta de aceleración puede llegar a ser varias veces la máxima aceleración del suelo. Diseñar para las fuerzas de inercia que el máximo sismo puede ocasionar no es económico ni necesario. Por consiguiente el diseño sísmico de estructuras se hace para fuerzas de inercia horizontales menores que las ocasionadas por el sismo de diseño. Podrán sufrir daño durante sismos intensos pero no colapsar .

TERCERA PARTE

ANTECEDENTES. REGLAMENTOS DE DISEÑO DE CONEXIONES EN MEXICO

RECUENTO HISTORICO DE LAS NORMAS DE DISEÑO EN MÉXICO. (DF) 1942

1959 1966

Normas de emergencia para la ciudad de México tenían la novedad de que incluían factores de importancia. Se publican nuevas normas debido al temblor de 1957 las cuales incluían: ‐Distribución de fuerzas sísmicas con la altura del edificio, ‐Método dinámico, ‐Microzonificación sismica. Se actualizan las normas del DF en ellas se incluye Comportamiento No Lineal

1974 Normas SOP que incluyen espectros de diseño de todo el país. 1976 Se incluyen factores de reducción por ductilidad. 1978 Reglamento de Acapulco Finales de los Primer Manual de Diseño de Obras Civiles de la CFE 70's 1985 Se modifican sustancialmente el Reglamento de construcciones y sus NTC Complementarias 1987 Se actualizan las NTC Sismo 1993 Se actualiza el Manual de Diseño de Obras Civiles de la CFE para diseño por Sismo y Viento 1996 Actualización Menor al Reglamento y a sus NTC. Se actualizan las NTC y se incluye el APENDICE A en las NTC‐Sismo: ‐Se parte de espectros elásticos que no tienen ninguna reducción: Van cambiando de acuerdo al sitio de la obra. ‐ Se reducen por dos factores: 1) Reducción por ductilidad Q' 2000 ‐ 2004 2)Factor por sobreresistencia ‐‐‐‐ > Función del periodo de la estructura

2008

Mapa de Periodo de acuerdo al punto exacto de ubicación de la obra. Q' Cambia para terreno blando. Se revisan los estados limites por separado. Se actualiza el Manual de Obras Civiles de la CFE, se incorporan espectros sísmicos elásticos o en todo el territorio.

Reglamentos de Diseño de Conexiones en México. En México Para Diseño de Estructuras de Concreto Existen: •

DF: RCDF y sus NTC (Normas Técnicas Complementarias)

•

Las NTC‐Diseño de estructuras de concreto, en el tema de Conexiones de estructuras prefabricadas mantienen los principios establecidos en el reglamento de 1987, es decir aunque tenemos las NTC‐04 diseñamos con un reglamento fundamentado hace casi 25 años. Estas Normas Contemplan a las Conexiones Fuertes y a las que Emulan a las Coladas en Sitio.

La Anippac y el Instituto de Ingeniería de la UNAM realizaron entre 1998 y el año 2000 el “Manual de Diseño de Estructuras Prefabricadas y Presforzadas” . En el Tema de Conexiones Menciona: •

•

La experiencia que se tiene del comportamiento observado de conexiones en marcos, tanto para sismos fuertes como en ensayes de laboratorio, no es tan amplia como en el caso de estructuras monolíticas de concreto reforzado. Por este motivo, reglamentos como el de Construcciones del Distrito Federal, en sus Normas Técnicas de Concreto de 1996 (RCDF ‐96), especifica fuerzas sísmicas mayores en estructuras prefabricadas respecto a las monolíticas. En estas últimas, se puede emplear un factor de comportamiento sísmico, Q, hasta de cuatro (en el caso de marcos dúctiles colados en sitio), mientras que para marcos de concreto prefabricado se especifica generalmente para este factor un valor de dos; sin embargo, también se acepta el valor de tres si se demuestra a consideración del Departamento de Distrito Federal que el diseño y el procedimiento constructivo de las conexiones justifican el mencionado valor. En este último caso, el resto de la estructura debe cumplir con los requisitos de marcos dúctiles que especifica el RCDF ‐96.

Reglamentos de Diseño de Conexiones en México. REGLAMENTOS EN EL INTERIOR DE LA REPUBLICA • En el Interior de la Republica, existen numerosos Reglamentos de Construcción Locales. Basados la mayoría en el del DF y adecuados a las necesidades locales. •

En materia de Diseño de Estructuras de Concreto, hay dos posibilidades: • Utilizar las NTC‐Diseño de estructuras de Concreto del DF • Utilizar el ACI 318 como en Jalisco. Contempla de manera ESPECÍFICA a las estructuras prefabricadas.

Reglamentos de Diseño de Conexiones en México. AVANCES RECIENTES De 1987 al año 2012 (25 años) •

Se han realizado numerosas investigaciones relacionadas con las conexiones de estructuras prefabricadas, Diafragmas, comportamiento de conexiones soldadas, etc. Por lo que es urgente incorporar estos avances a un Reglamento de Diseño en México.

2008 Programa de Investigación para el Desarrollo de un Método para el Diseño Sismo‐Resistente de Diafragmas Prefabricados de Piso

CUARTA PARTE

CRITERIOS DE DISEÑO DE CONEXIONES NTC‐04

Criterios de Diseño de Conexiones NTC‐04 NTC‐04 CONCRETO PREFABRICADO. ESTRUCTURAS PREFABRICADAS. SECCION 10 10.2 Estructuras Prefabricadas Conexiones Fuertes: fuera o dentro del nudo. Q=2 10.3 Conexiones F=1.3 Debe resistir 1.3 el valor de fuerzas y momentos internos que resista. 8 Requisitos: a) f’c de conexiones = f’c de prefabricados b) Fy acero = 4,200 kg/cm2 c) Refuerzo transversal de acuerdo al Q empleado. d) Para conexiones dentro del nudo: ‐ Cumplir con 6.2.5 “Resistencia mínima a flexión de columnas” ‐ Asegurar confinamiento 6.2.6 ‐ Asegurar articulación plástica en vigas. ‐ Cumplir con 6.8 “Articulaciones plásticas en vigas, columnas y arcos” e) Colados por la parte superior. f) Especificar holguras y considerarlas en el diseño. g) Diámetro ductos en nudo = 2 Ø Vs. Relleno con lechada a presión. h) Elementos a unir con rugosidad de 5 mm y saturar de agua 24 horas antes, usar aditivo estabilizador de volumen.

Conexiones que emulan a una colada en sitio. Q=3 Ubicada donde Md = 0.6 Mu diseño Total. Cumplir Q = 3, Capítulo 5 NTC‐Sismo.

Capítulo 7 NTC‐Concreto “Estructuras Dúctiles” Si hay inversión de momentos se diseñara de acuerdo a capitulo 7.5 Conexiones Viga‐Columna con articulaciones alejadas de la cara de la columna.

Criterios de Diseño de Conexiones NTC‐04 Disposiciones de Diseño del ACI

Criterios de Diseño de Conexiones NTC‐04

Reglamentos

NTC 10.1 Requisitos Generales •

Las estructuras prefabricadas se diseñarán con los mismos criterios empleados para estructuras coladas en el lugar.

Realidad:

•

Las estructuras Prefabricadas No son del todo iguales a las coladas en Sitio: – Cuando las conexiones entre las trabes y las columnas requieren resistir fuerza

lateral, es deseable hacer conexiones de momento después de que la mayoría de las cargas muertas son aplicadas. Esto requiere un detallado cuidadoso y un proceso de construcción bien especificado y supervisado. Si esos detalles son posibles, las conexiones de momento solo necesitan resistir momento negativo de las cargas vivas, de fuerzas laterales y cambios por temperatura, por lo que serían menos costosas. – Los sistemas de losa prefabricados trabajan en una dirección, por lo que es común tener inversión de momentos en los marcos donde están las trabes de rigidez, dado que las cargas gravitacionales son muy pequeñas.

Criterios de Diseño de Conexiones NTC‐04 1ra. ETAPA: CONDICIONES DE APOYO SIMPLEMENTE APOYADAS 3

=f/ls

=f/t

CARGAS

4

2

3

   Peso propio de la viga

=ls 1

2) f/t = Peso del firme sobre la TPT 3) ls = Peso de la losa spiroll

o

4) f/ls = Peso del firme sobre la losa spiroll

TRABE PORTANTE

Criterios de Diseño de Conexiones NTC‐04 2 DA. ETAPA: CONDICIONES DE APOYO: CARGAS

EMPOTRADA

Carga muerta adicional  Peso de acabados (pisos)

mad + Vgrav.

1.2) Peso de plafones 1.3) Peso de instalaciones 1.4) Peso de muros divisorios 1.5) Sobre carga (RCDF) Carga viva gravitacional máxima (RCDF)

TRABE PORTANTE

Criterios de Diseño de Conexiones NTC‐04 RESULTADOS Sirve para calcular el presfuerzo que la trabe necesita para soportar las cargas que van a actuar sobre ella en condiciones estáticas. 1a ETAPA

 1ra ETAPA

 (1ª Etapa)=   f/t + ls + f/ls Momento positivo máximo M (1ª Etapa)= ª etapa) ℓ²

 M  

2a ETAPA



 2ª Etapa = mad  vgrav M( 2ª Etapa)= ª etapa) ℓ²

 2a ETAPA

M  

3a ETAPA

M 2a etapa   SUMA DE ETAPAS





*Utilizo 20 en lugar de 24 para prediseño M+

= M (ª etapa) + M (2ª etapa)

4.1 CRITERIOS DE DISEÑO DE CONEXIONES FUERTES

CONEXIÓN FUERTE NTC‐04

Accesorio Metálico de Trabe Portante Conectado al As+ Acero mayor del Área Equivalente al As+ de la trabe ó El resultante del diseño de la ménsula de concreto Placa de Ménsula Soldadura deberá resistir Rt= As(+) Fy

Criterios de Diseño de Conexiones NTC‐04 NTC‐04 CONCRETO PREFABRICADO. ESTRUCTURAS PREFABRICADAS. SECCION 10 10.2 Estructuras Prefabricadas Conexiones Fuertes: fuera o dentro del nudo. Q=2 10.3 Conexiones F=1.3 Debe resistir 1.3 el valor de fuerzas y momentos internos que resista. 8 Requisitos: a) f’c de conexiones = f’c de prefabricados b) Fy acero = 4,200 kg/cm2 c) Refuerzo transversal de acuerdo al Q empleado. d) Para conexiones dentro del nudo: ‐ Cumplir con 6.2.5 “Resistencia mínima a flexión de columnas” ‐ Asegurar confinamiento 6.2.6 ‐ Asegurar articulación plástica en vigas. ‐ Cumplir con 6.8 “Articulaciones plásticas en vigas, columnas y arcos” e) Colados por la parte superior. f) Especificar holguras y considerarlas en el diseño. g) Diámetro ductos en nudo = 2 Ø Vs. Relleno con lechada a presión. h) Elementos a unir con rugosidad de 5 mm y saturar de agua 24 horas antes, usar aditivo estabilizador de volumen.



Criterios de Diseño de Conexiones NTC‐04 FLEXION Y CORTANTE EN VIGAS MR = 1.3 Mu (‐) ó (+) As (-) (CORRIDO +

As (-) (CORRIDO)

BASTONES)

N Ó I X E L F

As (+)

(-) As

(CORRIDO + BASTONES)

Restricciones 2.2 flexión

As (+)

Asp

As min. MR=FR As fy d(1-0.5q) (inciso 2.2.4 NTCC-04) como reforzada

La resistencia a flexión se cálcula con base en las condiciones de equilibrio y en las hipótesis generales enunciadas en la sección de las NTCC- 04 (inciso 9.3.1) y sección 2.1

MR=FR As fy d(1-0.5q) (inciso 2.2.4 NTCC-04) como reforzada

De acuerdo con 2.2.1 y 2.2.2

As máx.

LONGI TUD DE LONGI TUD DE DESARROLLO Y ENDUCTADOS ZONA CON PRESFUERZO TOTAL ADHERIDO DESARROLLO Y ENDUCTADOS DEL PRESFUERZO SECCI ÓN 9. 6. 2 DEL PRESFUERZO SECCI ÓN 9. 6. 2

VR = 1.3 Vu

)

VCR= FRbd 0.15 f *c + 50 Vdp ) M (inciso 2.5.1.4.a NTCC-04)

E T N A T R O C

RESTRICCIONES 2.5

1)

1-0.0004 (h-700)

En los extremos (zonas con presfuerzo parcial o presfuerzono adherido) se diseña como trabe de concreto reforzado (inciso 2.5.1.4.b) tomando el peralte efectivo con la expresión: d= Asp fsp dp + Asfyds Asp fsp + Asfy

Si<0.015 VCR = FR bd (0.2+20 ) f * c (2.19) inciso 2.5.1.1 Si≥0.015 VCR = FR bd

f

*

c

(2.20) inciso 2.5.1.1

H > 700 mm (2.18)

2)

L h L h

 5  4

4 

L h

 5

Criterios de Diseño de Conexiones NTC‐04 SOLDADURA Y PLACAS EN CONEXIONES (+)

(-)

(-)

As y As se determinan con las fórmulas ordinarias de concreto reforzado (inciso 2.2.4, NTCC-04) 2 M R = FR bd f"cq(1-0.5q)

firme

M UD (-)

As

T

T

 =

1M . 3UD M (+)UD

d

( )

Ó T= As(+) Fy

d

(+)

M UD (+)

d

As

t b NARIZ

VUD

T = Fuerza para diseño de la soldadura (+) entre el acero de refuerzo As y la placa, así como para el diseño de la soldadura entre la placa de la nariz y la placa de la ménsula de la columna. Espesor teorico de la placa t=

T FR b fy

fy =Esfuerzo de fluencia del acero de la placa = 2,530 Kg/cm2 para acero A 36

Criterios NTC‐04 Sección 6.9 NTC‐04 Ménsulas.

4.2 SOLDADURA EN CONEXIONES FUERTES

CONEXIÓN FUERTE NTC‐04

Soldadura en Conexiones Fuertes CALIDAD DEL ACERO Y CONTENIDO DE CARBONO Dificultades Normativas Referentes a la Soldadura: Con Q=2 las NTC no prohíbe el uso de soldadura en conexiones, OK. El Primer Problema es que nuestras estructuras deben resistir más fuerza sísmica por ser NO dúctiles. Resultan mayores armados, secciones y Costo. 







El segundo Problema es La calidad del Acero de refuerzo fabricado en México hecho con la norma NMX‐407‐ONNCCE‐2001 (ASTM 615) que no estipula límite para el contenido de carbono. Encontrándose en el mercado nacional varillas entre medio y alto contenido de carbono. Entre 0.417 y 0.443% Por lo tanto es un material con características REGULARES para soldar. Se debería usar el acero NMX‐B‐457 (ASTM‐ A706) que si es soldable (pero no se produce en México). Hasta CE = 0.3 es Bueno para Soldar

Soldadura en Conexiones Fuertes PROCEDIMIENTO PARA UNA CORRECTA SOLDADURA NMX‐H‐121‐1988 







Se Requiere que la resistencia a Tensión de las barras soldadas sea al menos 1.25 veces el esfuerzo de fluencia mínimo. Soldador Certificado G1 Se requiere Usar Electrodos E90XX ‐X entre Aceros de Fy= 4,200 Kg/cm² y E70 ‐XX entre Acero de refuerzo y acero estructural. Procedimiento: 





Precalentar las barras antes de soldarlas para reducir la velocidad de enfriamiento y evitar la formación de martensita (endurece y evita la ductilidad) Esmerilar las superficies a unir Calentar los electrodos a no menos de 370 grados centígrados durante 2 horas si han estado expuestos por 5 horas al medio ambiente.

Soldadura en Conexiones Fuertes PRUEBAS A LOS BULBOS DE VARILLAS #8c, #10c Y #12c

Si Pasa No Pasa

Mejor Comportamiento

CONEXIÓN FUERTE Modalidad Sepsa

4.3 CRITERIOS DE DISEÑO DE CONEXIONES DUCTILES

CONEXIONES DÚCTILES SEPSA/NTC‐04

Criterios de Diseño de Conexiones Dúctiles

As(‐)  MR(‐) = 1.3 Mu(‐)

Acero Adicional CNX DUCTIL

As(+)  MR(+) = 1.3 Mu(+)

Armado Parcial de Trabes

Columna

Criterios de Diseño de Conexiones Dúctiles NTC‐04 CONCRETO PREFABRICADO. ESTRUCTURAS PREFABRICADAS. SECCION 10 10.2 Estructuras Prefabricadas Conexiones Fuertes: fuera o dentro del nudo. Q=2 10.3 Conexiones F=1.3 Debe resistir 1.3 el valor de fuerzas y momentos internos que resista. 8 Requisitos: a) f’c de conexiones = f’c de prefabricados b) Fy acero = 4,200 kg/cm2 c) Refuerzo transversal de acuerdo al Q empleado. d) Para conexiones dentro del nudo: ‐ Cumplir con 6.2.5 “Resistencia mínima a flexión de columnas” ‐ Asegurar confinamiento 6.2.6 ‐ Asegurar articulación plástica en vigas. ‐ Cumplir con 6.8 “Articulaciones plásticas en vigas, columnas y arcos” e) Colados por la parte superior. f) Especificar holguras y considerarlas en el diseño. g) Diámetro ductos en nudo = 2 Ø Vs. Relleno con lechada a presión. h) Elementos a unir con rugosidad de 5 mm y saturar de agua 24 horas antes, usar aditivo estabilizador de volumen.



Criterios de Diseño de Conexiones Dúctiles SECCIÓN 7.5 NTC: CONEXIONES VIGA – COLUMNA CON ARTICULACIONES ALEJADAS DE LA CARA DE LA COLUMNA.

As Adicional  0.35 As Principal

As Principal

As(‐) As Adicional

As(+) Continuas en el nudo.

As Principal + As Adicional

Resistido por As principal únicamente. FR=1

• Refuerzo Longitudinal en Vigas.

Criterios de Diseño de Conexiones Dúctiles 7.5.3 Resistencia mínima a flexión de columnas Las resistencias a flexión de las columnas en un nudo deben satisfacer la ec. 7.8 Me  1.2Mg (7.8) • donde Me suma al paño del nudo de los • momentos resistentes calculados con factor de resistencia igual a uno y con un esfuerzo en el acero de tensión al menos igual a 1.0f y, de las columnas que llegan a ese nudo; y Mg suma al paño del nudo de los • momentos resistentes calculados con factor de resistencia igual a uno y con un esfuerzo en el acero de tensión al menos igual a 1.0f y, de las vigas que llegan a ese nudo. •

•

•

Las sumas anteriores deben realizarse de modo que los momentos de las columnas se opongan a los de las vigas. La condición debe cumplirse para los dos sentidos en que puede actuar el sismo. No será necesario cumplir con la ec. 7.8 en los nudos de azotea.

Criterios de Diseño de Conexiones Dúctiles 7.5.4

•

Uniones viga–columna

Se aplicará lo señalado en las secciones 7.4.1 a 7.4.4 que no se vea modificado en esta sección. 7.5.4 Uniones Viga ‐ Columna Si la losa está colada monolíticamente con las vigas, se considerará que el refuerzo de la losa trabajando en tensión alojado en un ancho efectivo, contribuye a aumentar la demanda de fuerza cortante.

No aplica

En secciones T, este ancho del patín a tensión a cada lado del alma se podrá valuar como:

No aplica

En secciones L, el ancho del patín a tensión al lado del alma se podrá valuar como:

No aplica

Las fuerzas que intervienen en el dimensionamiento por fuerza cortante se determinarán suponiendo que el esfuerzo de tensión en las barras de las vigas es igual a 1.0f y.

Checar

Si las barras de las vigas son continuas a través del nudo, su diámetro debe cumplir con h(columna)/db (barra de viga)  16

Esta condición si aplica

Criterios de Diseño de Conexiones Dúctiles 7.4

Uniones viga–columna

Una unión viga–columna o nudo se define como aquella parte de la columna comprendida en la altura de la viga más peraltada que llega a ella.

7.4.1

Requisitos generales

Se supondrá que la demanda de fuerza cortante en el nudo se debe a las barras longitudinales de las vigas que llegan a la unión. Si la losa esta colada monolíticamente con las vigas, se considerará que el refuerzo de la losa trabajando a tensión alojado en un ancho efectivo, contribuye a aumentar la demanda de fuerza cortante. En secciones T, este ancho del patín de tensión a cada lado del alma será al menos ocho veces el espesor del patín; en secciones L, el ancho del patín será de seis veces el espesor del patín. Las fuerzas que intervienen en el dimensionamiento por fuerza cortante de la unión se determinarán suponiendo que el esfuerzo de tensión en las barras es 1.25f y.

Desarrollar

El refuerzo longitudinal de las vigas que llegan a la unión debe pasar dentro del núcleo de la columna.

OK Se cumple

En los planos estructurales deben incluirse dibujos acotados y a escala del refuerzo en las uniones viga–columna.

OK, hacemos planos de conexiones.

Criterios de Diseño de Conexiones Dúctiles 7.4.2 Refuerzo Transversal Horizontal

•

Se debe suministrar el refuerzo transversal horizontal mínimo especificado en el inciso 7.3.4.c. Si el nudo está confinado por cuatro trabes que llegan a él y el ancho de cada una es al menos igual a 0.75 veces el ancho respectivo de la columna, puede usarse la mitad del refuerzo transversal horizontal mínimo. La separación será la especificada en el inciso 7.3.4.d.

7.3.4. c)

Cuantía mínima de refuerzo transversal

1) En columnas de núcleo circular, la cuantía volumétrica de refuerzo helicoidal o de estribos circulares, p s, no será menor que la calculada con las ecs. 6.3. 2) En columnas de núcleo rectangular, la suma de las áreas de estribos y grapas, Ash, en cada dirección de la sección de la columna no será menor que la obtenida a partir de las ecs. 7.3 y 7.4. (7.3)

(7.4)

donde bc es la dimensión del núcleo del elemento a flexocompresión, normal al refuerzo con área A sh y esfuerzo de fluencia f yh (fig. 7.4). Ag= área bruta de la sección transversal Ac= área transversal del núcleo hasta la orilla exterior del refuerzo.

Criterios de Diseño de Conexiones Dúctiles 7.4.2 Refuerzo Transversal Horizontal •

7.3.4.d)El refuerzo transversal debe estar formado por estribos cerrados de una pieza sencillos o sobrepuestos, de diámetro no menor que 9.5 mm (número 3) y rematados como se indica en el inciso 7.2.3.c (fig. 7.3). Puede complementarse con grapas del mismo diámetro que los estribos, separadas igual que éstos a lo largo del miembro. Cada extremo de una grapa debe abrazar a una barra longitudinal de la periferia con un doblez de 135 grados seguido de un tramo recto de al menos seis diámetros de la grapa pero no menor que 80 mm.

•

7.2.3.c) Los estribos deben ser cerrados, de una pieza, y deben rematar en una esquina con dobleces de 135 grados, seguidos de tramos rectos de no menos de seis diámetros de largo ni de 80 mm. En cada esquina del estribo debe quedar por lo menos una barra longitudinal. Los radios de doblez cumplirán con los requisitos de la sección 5.5. La localización del remate del estribo debe alternarse de uno a otro.

Figura 7.3

Criterios de Diseño de Conexiones Dúctiles 7.4.3

Refuerzo transversal vertical

•

Cuando el signo de los momentos flexionantes de diseño se invierta a causa del sismo, se deberá suministrar refuerzo transversal vertical a lo largo de la dimensión horizontal del nudo en uniones de esquina (fig. 7.5).

•

La cuantía y separación del refuerzo transversal vertical deberá cumplir con lo especificado en los incisos 7.3.4.c y 7.3.4.d.

•

Se aceptará el uso de estribos abiertos en forma de letra U invertida y sin dobleces, siempre que la longitud de las ramas cumpla con la longitud de desarrollo de la sección 5.1, medida a partir del eje del refuerzo longitudinal adyacente a la cara libre del nudo (fig. 7.5).

Figura 7.5 Refuerzo transversal vertical en uniones viga–columna

Criterios de Diseño de Conexiones Dúctiles 7.4.4 Resistencia Resistencia a fuerza cortante •

•

Se admitirá revisar la resistencia resistencia del nudo a fuerza cortante en cada dirección principal de la sección en fo forma rma inde indepen pendien diente te.. La fuerza cortante se calculará en un plano horizontal a media altura del nudo (fig. 7.6). Para calcular la resistencia de dise diseño ño a fuer fuerzza cort cortan ante te del del nudo nudo se debe deberrá clasificarlo según el número de caras verticales confinadas por los miembros horizontales y si la columna es continua o discontinua. Se considerará que la cara vertical está confinada si la viga cubre al menos 0.75 veces el ancho respe espect ctiv ivo o de la colum olumna na,, y si el per peralt alte del del elemento confinante es al menos 0.75 veces la altura de la viga más peraltada que llega al nudo. En nudos nudos con con tramos tramos de viga viga o de colum columna na sin cargar, se admite considerar a la cara del nudo como omo confi onfina nada da si los los tram tramos os sati satisf sfac acen en las las especificaciones geométricas del párrafo anterior y se extienden al menos un peralte efectivo a partir de la cara de la unión. La resistencia de diseño a fuerza cortante de nudos con columnas continuas se tomará igual a (ecs. 7.5 a 7.7):

•

a) Nudos confinados en sus cuatro caras verticales

• • •

(7.5)

b) Nudos confinados en tres caras verticales o en caras verticales opuestas

•

• •

c)

(7.6)

Otros casos •

•

(7.7)

Criterios de Diseño de Conexiones Dúctiles Figura 7.6 Determinación de la fuerza cortante actuante en un nudo de marcos dúctiles

Vu = Tviga,1 + Tlosa, arriba + Tlosa, abajo + Cviga, 2 – Vcolumna,1 donde Tviga,1 + Tlosa, arriba + Tlosa, abajo = 1.25 f y (As, viga, 1 + As, losa, arriba + As, losa, abajo ) Cviga, 2 = Tviga, 2 = 1.25 As, viga, 2 f y

Criterios de Diseño de Conexiones Dúctiles 7.4.4 Resistencia a Fuerza Cortante (continuación) El ancho be se calculará promediando el ancho medio de las vigas consideradas y la dimensión transversal de la columna normal a la fuerza. Este ancho b e no será mayor que el ancho de las vigas más el per peralt alte de la colum olumna na,, h, o que que la dimens dimensión ión trans transve vers rsal al de la colum columna na normal a la fuerza, b (fig. 7.7). Cuando el peralte de la columna en dire direcc cció ión n de la fuer fuerza za camb cambie ie en el nudo nudo y las las barr barras as long longit itudi udina nale less se doblan según la sección 6.2.6, se usará el menor valor en las ecs. 7.5 a 7.7.

Figura 7.7 Área de la sección que resiste la fuerza cortante en nudos de marcos dúctiles

Criterios de Diseño de Conexiones Dúctiles 7.2 Miembros a Flexión

Los requisitos de esta sección se aplican a miembros principales que trabajan esencialmente a flexión. Se incluyen vigas y aquellas columnas con cargas axiales pequeñas que satisfagan la ec. 7.1.

Pu  Ag f c ’/10

(7.4.5.2) hcol/db (viga)  20 hviga/db (col)  20

*No usar soldadura ni dispositivos mecánicos tipo 1 (7.1.6 y 7.1.7)

*(1)

(7.1)


Restricciones Técnicas: Requisitos para Q=3 NTC‐DF max=

Acer o negati vo col ocado en siti o

0. 025

7.2. ︵ 2 a ︶

Acer o negati vo col ocado en siti o =

Estri bos col ocados en siti o i nt ercal ados con estri bos de l a tr abe. d est 7. 9 mm h

Acer o por T° col ocado en siti o

=

h

d

=

Acer o por T°

Acero positi vo col ocado en siti o Paquet es de 2 Vars.

b

7.2. ︵ 3 c ︶

Estri bos de l a tr abe d est 7. 9 mm

=

d

° 5 3 1

b

7.2. 2 d ︶︵

CORTE A-A

CORTE B-B

TPT

TPT

Acer o positi vo pr esf uerzo ︶︵

A lt er nar r e mat e de ︵ estri bo uno a otro ︶

6 db 80mm


Consideraciones para Q=3 Geo metrí a: h/ b = 3 25cm = b = B

7. 2. 1 c ︶︵ 7. 2. 1 d ︶︵

Tr abe TPL

Col u mna Estri bos d est 7. 9 mm =

e = 0.1B

7. 2. 1 e ︶︵

7. 2. 2 e ︶︵ Sol dadur a y ︵ di spositi vos mecáni cos ︶

7. 2. 2 c ︶︵

0. 25d s = 100 mm

B

b

Vs

l ongitudinal

ej e de tr abe ej e de col.

PLANTA

REQUISITOS GEOMETRICOS TRABE/COLUMNA

ALZADO

Lt

PLANTA Fuera de zonas de posi bl es ︵ arti cul aci ones pl ásti cas, a 2h del paño de colu mna y nodos. ︶

TRASLAPES Y UNIONES EN VARILLA

600mm

QUINTA PARTE:

AVANCES EN EL DISEÑO DE CONEXIONES

Avances en el Diseño de Conexiones Prefabricadas ESTUDIO:

Avances en el Diseño de Conexiones Prefabricadas • ANÁLISIS DE CONEXIONES

TRABE‐COLUMNA • TIPOS DE CONEXIONES TRABE‐COLUMNA ANALIZADAS •

Se considera tres tipos de conexiones trabe‐columna, la primera es una conexión colada monolíticamente (figura 4(a)). La segunda es prefabricada y el refuerzo del lecho inferior está soldado con electrodo E70 para darle continuidad a través del nudo (figura 4(b)). La tercera también es prefabricada y la continuidad del refuerzo del lecho inferior de la trabe se realiza mediante traslape fuera del nudo (figura 4(c)).

Avances en el Diseño de Conexiones Prefabricadas Descripción de las secciones transversales

Avances en el Diseño de Conexiones Prefabricadas Modelo Elástico de Elementos Finitos. • Curvas Esfuerzo Deformación para

caracterizar el Concreto y el Acero de Refuerzo.

Modelo No Lineal.

Avances en el Diseño de Conexiones Prefabricadas RESULTADOS

Avances en el Diseño de Conexiones Prefabricadas RESULTADOS DISEÑO DE CONEXIÓN SOLDADA

Avances en el Diseño de Conexiones Prefabricadas RESULTADOS DE DISEÑO DE CONEXIÓN CON TRASLAPE

Avances en el Diseño de Conexiones Prefabricadas RESUMEN DE RESULTADOS

SEXTA PARTE

CONCLUSIONES

Conclusiones •

• • • • •

1.‐ En el Diseño de las estructuras prefabricadas, se deben considerar las conexiones entre todos sus componentes estructurales: ‐Columna – Cimentación ‐Diafragma – Muros de Cortante ‐Diafragma – Marcos Resistentes a fuerzas laterales. ‐Conexiones entre elementos prefabricados de piso. no solamente la conexión Trabe – Columna.

•

2.‐ La tendencia mundial de la BUENA práctica sismo Resistente de estructuras prefabricadas: – Conexiones que Emulan a las coladas en sitio. – Conexiones Hibridas.

Conclusiones 4.‐ Es urgente la actualización de nuestros reglamentos de Diseño. Hay que incorporar las recomendaciones descubiertas a lo largo de ya casi 25 años de investigación mundial de estructuras prefabricadas. • Sería Ideal tener las NTC‐Diseño y Construcción de Estructuras Prefabricadas Sismo Resistentes, en su defecto un Manual de Diseño de EPSR que permita una práctica actualizada y que permita la incorporación del uso de nuevas conexiones usadas en otros países, como las Conexiones Hibridas. •

3.‐ Los reglamentos en México, deberían acotar el uso de las conexiones rígidas, en función del uso de la estructura, del riesgo sísmico, etc, además los requisitos que deben cumplir las soldaduras y la calificación de los soldadores. • En países como Chile, las conexiones rígidas están restringidas a estructuras de máximo 4 niveles ó 18 metros de altura, además de restringir de manera más conservadora los desplazamientos relativos de entrepiso. •

Conclusiones 5.‐ El tener bases claras de diseño permitiría a los Proyectistas Estructurales, Investigadores y Prefabricadores criterios de diseño, revisión y supervisión de estructuras Prefabricadas Sismo Resistentes. • 6.‐ Las conexiones dúctiles en otros países permiten el Uso de Q>3, cumpliendo con los requisitos establecidos. Es decir las Estructuras Prefabricadas se diseñan con las MISMAS fuerzas que las estructuras coladas en sitio, de acuerdo a sus características. •

•

6.‐ En Países como Nueva Zelanda y Japón las Conexiones de estructuras prefabricadas están agrupadas en sistemas probados y que se usan ampliamente en las estructuras de concreto prefabricado.

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CONEXIONES SMIE.pdf

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