diseno sismorresistente de estructuras mixtas concreto
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DISENO SISMORRESISTENTE DE ESTRUCTURAS MIXTAS CONCRETO-ACERO I*
Aunque hace ya un siglo (California, 1906-Japón, 1923) que se inicio la normalización y estudios, aunque de manera rudimentaria de los procedimientos de aplicación de
Diseño Sismorresistente a las nuevas edificaciones de entonces, no ha sido sino hasta recientemente cuando podemos enfatizar con cierta propiedad que tenemos una disciplina que mas que Arte cada vez mas se va convirtiendo en cien por ciento
Ciencia.
La prueba esta ahí cuando actualmente ocurren fenómenos telúricos de ciertas magnitudes que hace pocos anos arrasaban ciudades sembrando de muerte sus entornos y hoy día provocan danos pero relativamente mínimos comparados con
aquellos.
En esto ha jugado un papel de primera magnitud las evaluaciones y ensayos post-sísmicos ya que se ha podido desentrañar muchos casos curiosos que la solución
analítica per se no explicaba satisfactoriamente.
Dentro de ese contexto las estructuras compuestas, en colaboración o mixtas han ido incrementando su uso en los últimos anos tanto en USA como en Japón. No fue hasta 1997 cuando el AISC incluyo en su reglamentación estos elementos desde el punto de
vista sismo resistente.
Muchos se sorprenderán si se les dice que en la normativa actual aun permanecen reglamentaciones concernientes a elementos de acero u hormigón por separado
recomendadas para estructuras mixtas, pero las investigaciones recientes sobre la respuesta (forma de manifestarse) sísmica de diferentes estructuras mixtas ha
permitido en los últimos anos ir calibrando su comportamiento e incluirlo gradualmente en la normativa.
Terremoto California 1906
En el 2005 la AISC publico su normativa incluyendo el comportamiento sismorresistente de los elementos estructurales aplicando todas las evaluaciones
realizadas posteriormente a los sismos de Kobe (1995) y Northridge (1994) y añadiendo nuevas tecnologías suficientemente estudiados en las últimas décadas.
Miles de muertos.Terremoto de Kanto, Japon, 1923.
*Tomado del articulo: "Diseno Sismico de Estructuras Mixtas". Ricardo Herrera M., Ph.D. Universidad de Chile.
DISEÑO SISMORRESISTENTE DE ESTRUCTURAS MIXTAS CONCRETO-ACERO II
Cuando se realiza el análisis sísmico de una estructura por medio del método de combinación modal elástico el Cortante Basal que pudiera desarrollarse en la base de
la estructura se determina por medio de un procedimiento muy singular.
Este procedimiento se realiza para simplificar el cálculo y no tener que realizar un cálculo no elástico que es más complicado. Se asume la fuerza cortante que se
desarrollaría suponiendo que la estructura no incursione en el rango elástico, es decir, suponiendo que tendrá un comportamiento elástico y se verifica la deformación
correspondiente a ese cortante elástico. La anterior se compara (divide) con el cortante que se supone que se puede producir en la fluencia. Para ello se utilizan 3 parámetros:
-La sobrerresistencia gamma, Ω.
-El factor de modificación de la Respuesta R.
-El factor de amplificación de los desplazamientos Cd.
Tenemos una demanda elástica que se relaciona con ubicación geográfica y una demanda reducida que es con la que se diseña la estructura. Cada tipología tiene sus características propias que afecta a los tres factores (parámetros) antes mencionados.
En cada normativa existen tablas que incluyen las principales tipologías de concreto, acero, madera, etc. Los niveles de diseño también afectan estos valores. No obstante,
deben revisarse estos valores para las estructuras mixtas puesto que sus valores obviamente serán diferentes de cada cual por separado. A pesar de ello aun existen
normativas que igualan el acero y concreto por separado con los mixtos. Presentamos como ejemplo la tabla correspondiente a ASCE 7-05.
DISENO SISMORRESISTENTE DE ESTRUCTURAS MIXTAS CONCRETO-ACERO III
Para lograr una ductilidad significativa se debe partir de elegir materiales dúctiles. El acero debe cumplir con las estipulaciones de la parte I del AISC y e concreto armado
con lo prescrito en el capitulo 21 del ACI-318-05 a menos que se trate de estructuras de baja ductilidad.
ELEMENTOS MIXTOS:
-COLUMNAS EMBEBIDAS EN HORMIGON:
Para que clasifique como mixta el porcentaje con la de acero debe ser igual o superior al 1% y cumplir con la sección I del AISC. Los requisitos cambiaran según el elemento
sea parte de una estructura común (a), intermedia (b) o especial (c).
a) La resistencia al corte cumplirá con el AISC. El refuerzo al corte del concreto cumplirá con el ACI-318-05 usando un ancho de la sección menos la del perfil embebido
en la dirección perpendicular al corte.
Cuando se requiera una acción conjunta se precisara el uso de conectores de cortante cumpliendo con la sección I2.1 del AISC.
Para el espaciamiento máximo del refuerzo transversal se elegirá el menor de los siguientes valores:
1.-16 db (db es el diámetro del refuerzo longitudinal).
2.-48 dv (dv es el diámetro del refuerzo de corte o transversal).
3.-La mitad de la dimensión menor de la sección mixta.
El diámetro del refuerzo debe ser menor de 1/50 de la dimensión mayor de la sección compuesta pero siempre entre 10 mm y 19 mm pudiendo usarse malla electro soldada
como refuerzo transversal.
4.-Se colocara en cada esquina acero que cumpla con los empalmes normativos y detallamiento del ACI Cap. 21 y relativo a empalmes y el AISC.
5.-Se consideraran los cambios de rigidez como los de columna a fundación y cambios entre columnas mixtas a hormigón o acero convencional.
**En la próxima entrega continuaremos con sistemas intermedios y especiales y los sistemas de acero rellenos de concreto.
DISENO SISMORRESISTENTE DE ESTRUCTURAS MIXTAS ACERO-CONCRETO IV
...b) Deben cumplir con todo lo anterior excepto lo indicado mas adelante y además:
1.-El espaciamiento máximo del refuerzo transversal en los extremos no excederá: La mitad de la dimensión menor; 8db; 24dv; nunca excederá 300 mm.
Se prolongara este espaciamiento en cada extremos hasta 1/6 la longitud de la columna, la dimensión mayor de la sección o 450 mm.
El espaciamiento en el resto de la columna no excederá dos veces el espaciamiento anterior.
No se permite el uso de malla electro soldada para refuerzo transversal.
c) Se cumplirá con los requerimientos exigidos a a) y b) y además:
La resistencia de columnas y empalmes debe cumplir con la sección 8.3 de la parte I de requerimientos sísmicos del AISC.
El refuerzo longitudinal debe cumplir con el capitulo 21 del ACI.
1.-Se usaran estribos como refuerzo transversal. Si el perfil por si solo no resiste la combinación D+0.5L se usara un refuerzo mínimo transversal que no excederá 6db o
150 mm.
Para las siguientes columnas el refuerzo transversal no excederá ¼ de la menor dimensión de la sección mixta ni 100 mm. En dichos casos la armadura de
confinamiento se espaciara a no más de 350 mm.
2.-Columnas embebidas que son parte de marcos arriostrados con compresiones mayores al 20% de la capacidad de la columna deben usar refuerzo de confinamiento de acuerdo al párrafo 1 en toda su longitud a menos que el perfil solo pueda resistir la
carga D+0.5L.
3.-Columnas embebidas que soporten elementos rígidos discontinuados como muros o marcos arriostrados deben tener el refuerzo transversal recomendado en 1.
4.-Columnas embebidas en marcos especiales mixtos tendrán el refuerzo transversal de acuerdo a 1 en los extremos. Satisfarán el criterio viga débil/columna fuerte y la unión a la fundación deberá soportar la formación de rotula plástica en la base. La resistencia a
corte cumplirá con el capitulo 21 del ACI.
El refuerzo transversal de la columna se continuara al menos 300 mm. Si la columna termina en un muro se profundizara el acero transversal dentro del muro garantizando
la fluencia de la sección embebida y el acero longitudinal.
DISENO SISMORRESISTENTE DE ESTRUCTURAS MIXTAS DE ACERO Y CONCRETO V
SECCIONES TUBULARES RELLENAS DE CONCRETO:
-La sección tubular debe ser capaz de absorber por si sola el corte a menos que exista un mecanismo de transferencia de carga adecuado.
-Los sistemas especiales mixtos deben cumplir en lo que se refiere a cargas y empalmes con los requisitos de las columnas de acero con la sección 8 de la parte I de
las disposiciones sísmicas.
-Las columnas en marcos rígidos especiales mixtos la resistencia al corte cumplirá con el capitulo 21 del ACI, satisfará la relación viga débil/columna fuerte y la aparición de rotula plástica en la fundación. El espesor de la sección tubular nunca será menor de:
tmin = b.√(Fy/2E)
CONEXIONES EN SECCIONES MIXTAS
Tendrán resistencia, ductilidad y tenacidad similares a las de las estructuras de acero o concreto sismo resistentes. Asimismo tendrán de una adecuada capacidad de
deformación inelástica.
Para transferencia de fuerza se despreciara la adherencia entre acero y concreto. La fuerza se transferirá a través de conectores o fricción o una combinación de ambos. La
contribución de los diferentes mecanismos solo se combinara si la rigidez y la capacidad de deformación de los mecanismos es compatible. Las resistencias
asociadas al aplastamiento y la fricción cumplirán con el ACI. Para marcos rígidos especiales estas fuerzas se reducirán en 25%. También para especiales arriostrados
concéntricamente o excéntricamente, muros mixtos especiales de H.A con elementos de acero estructural y muros de placas de acero embebidas en el hormigón.
Los componentes de acero se diseñaran de acuerdo a la parte I de las disposiciones sísmicas del AISC. Los elementos embebidos en hormigón se consideraran
arriostrados contra el pandeo fuera del plano. Se requieren atiesadores entre alas de vigas cuando esta queda embebida en muro o columna de Hormigón Armado.
La zona de panel de las columnas tendrá una resistencia nominal que se calculara como la suma de las resistencias del acero y concreto confinado en la zona de acuerdo
a la parte I de las disposiciones sísmicas del AISC y del ACI-318-05 respectivamente.
El hormigón debe estar confinado con acero transversal en las columnas embebidas y tendrá refuerzo para tomar las tracciones que pudieran generarse en las componentes
de hormigón armado.
Para conexiones entre vigas de acero o compuestas y columnas de concreto armado o de acero embebidas se cumplirá con el cap. 21 del ACI pero con las siguientes
modificaciones:
-Se considera que las secciones de acero que llegan al nudo ofrecen confinamiento al hormigón en un ancho igual al de las placas de contacto entre alas de la viga.
-Se permiten empalmes perimetrales de estribos en la zona en que las placas proveen confinamiento para marcos rígidos intermedios y corrientes, marcos arriostrados
corrientes y muros corrientes de concreto armado con elementos de acero estructural.
-Debe detallarse minuciosamente el tamaño y ubicación del refuerzo longitudinal a fin de minimizar el deslizamiento de las barras a través del nudo causado por la alta
transferencia de fuerzas asociadas con el cambio del momento flexor en la columna a lo largo de la altura de la conexión.
DISENO SISMORRESISTENTE DE ESTRUCTURAS MIXTAS CONCRETO-ACERO VII
Cont....
-MARCO INTERMEDIO RIGIDO: Compuesto por columnas de H.A o mixtas y vigas de acero o mixtas. Desarrollara una cantidad moderada de deformación inelástica en sus
miembros y conexiones que se concentrara básicamente en los extremos de las vigas en su sismo de diseno.
Las columnas mixtas deberán cumplir con lo exigido arriba para sistemas intermedios y las de hormigón armado cumplirán con el ACI exceptuando el cap. 21.
Las vigas no tienen que cumplir con requisitos de compacidad sísmica. Las conexiones deben soportar una deriva de 3% demostrable exprimentalmente. La
capacidad de la conexionse determinara en función de la plastificación de la viga en una zona adyacente al extremo.
MARCO CORRIENTE RIGIDO: Compuesto por columnas de H.A o mixtas y vigas de acero o mixtas. Desarrolla una cantidad limitada de deformación inelástica en su sismo
de diseño.
La viga no tiene que cumplir con requisitos de compacidad sísmica.
La conexión viga columna no tiene que estar detallada sísmicamente.
-MARCOS ESPECIALES ARRIOSTRADOS CONCENTRICAMENTE: Compuesto por columnas de H.A, acero o mixtas; vigas de acero o mixtas; y arriostramientos de acero
o mixtos. Genera un alto grado de deformación inelástica debido principalmente a la tracción de fluencia y al pandeo en compresión de los arriostramientos.
Las columnas de acero cumplirán con los requisitos para columnas con marcos especiales de acero arriostrado concéntricamente. Las mixtas cumplirán con lo
descrito mas arriba para sistemas especiales y las de H.A. con el cap. 21 del ACI.
Las vigas cumplirán con los requisitos de vigas en marcos de acero especiales arriostrados concéntricamente.
Las riostras de acero y las conexiones cumplirán con los requisitos para arriostramientos en marcos de acero especiales arriostrados concentricamente. Los arriostramientos mixtos deben cumplir con los mismos requisitos que las columnas
mixtas para este tipo de sistema.
DISENO SISMORRESISTENTE DE ESTRUCTURAS MIXTAS DE CONCRETO-ACERO VIII
MARCOS CORRIENTES ARRIOSTRADOS CONCENTRICAMENTE: Compuesto por columnas de H.A. o mixtas y vigas y arriostramientos de acero o mixtos. Desarrolla una
cantidad limitada de deformación inelástica en el sismo de Diseño.
La columna y arriostramientos mixtos deben cumplir con los requerimientos detallados anteriormente para sistemas corrientes. Las de H.A. deben cumplir con el ACI
exceptuando el cap. 21.
Las vigas no necesitan cumplir con requerimientos de compacidad sísmica.
Los arriostramientos de acero deben cumplir con el AISC.
Las conexiones no necesitan cumplir con requerimientos de detallado sismorresistente.
MARCOS ARRIOSTRADOS EXCENTRICAMENTE: Compuesto por columnas de H.A. o mixtas y vigas y riostras de acero. Desarrollan una significativa deformación inelástica
solo en la viga de acople. Las riostras diagonales, columnas y segmentos de vigas fuera de la viga de acople se diseñan para que permanezcan en el rango elástico.
Las columnas mixtas cumplirán con los requerimientos detallados anteriormente. Las de H.A. cumplirán con el ACI cap. 21. Las vigas de acople adyacentes a columnas serán
provistas de acero transversal cumpliendo con la sección 21.4.4 del ACI-318-05 o los requisitos para columnas embebidas detallados anteriormente.
Se puede embeber la viga en hormigón fuera de la zona de acople. La viga de acople debe cumplir con los requisitos para vigas de acople en marcos arriostrados excéntricamente. Las riostras y las conexiones cumplirán los requisitos para
arriostramientos y conexiones en marcos de acero arriostrados excéntricamente.
DISENO SISMORRESISTENTE DE ESTRUCTURAS MIXTAS DE CONCRETO ACERO...y IX
MUROS CORRIENTES DE H.A. CON ELEMENTOS DE ACERO ESTRUCTURAL: Como ejemplo tenemos los muros de H.A. confinados por vigas y columnas de acero
estructural o mixtas y muros de H.A. acoplados por vigas de acero.
Los muros cumplirán con el ACI excepto el cap. 21. Si se usan elementos de borde de acero estructural no se necesitara detallado sismorresistente. La demanda axial se cuantifica suponiendo que el muro absorbe todo el corte y el momento y las cargas
gravitacionales se reparten entre el muro y los elementos de borde.
Cuando se usan columnas de acero embebidas en hormigón como elemento de borde se considera la sección transformada de hormigón usando propiedades elásticas. Si el elemento de borde califica como columna mixta deberá cumplir con las exigencias para sistemas corrientes y alternativamente podrá diseñarse para cumplir con los requisitos de la sección 10.16 del ACI en conjunto con las especificaciones de la parte I del AISC.
Las vigas de acople de acero deberán estar embebidas en el muro lo suficiente como para resistir la fuerza nominal al corte y a la flexión de la viga de acople. La longitud
embebida se inicia al interior de la primera capa de refuerzo longitudinal del muro. Se colocara refuerzo vertical en la zona embebida con una capacidad nominal similar a la capacidad nominal a corte el cual debe estar adecuadamente desarrollado. Si se usan vigas de acople embebidas cumplirán con los requisitos para vigas de acople de acero
considerando la capacidad al corte de la viga como la de la sección mixta.
MUROS ESPECIALES DE H.A CON ELEMENTOS DE ACERO ESTRUCTURAL: Similar al anterior pero los componentes deben cumplir con los requerimientos para sistemas especiales y el cap. 21 del ACI para el caso de muros de H.A. El objetivo es aumentar
significativamente la capacidad de deformación inelástica del sistema.
MUROS DE CORTE DE PLACAS DE ACERO EMBEBIDAS EN HORMIGON: El revestimiento de la placa puede estar en uno o ambos lados rodeado por elementos de borde de acero o mixtos. Desarrolla una significativa deformación inelástica en el sismo
de diseño. La placa debe ser adecuadamente atiesada y confinada y conectada adecuadamente (continuamente) a los elementos de borde cuyos componentes
horizontales y verticales se diseñaran para permanecer en el rango elástico.