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Efectos de temperatura

Raúl Jean Perrilliat

Análisis por temperatura

Efectos de temperatura en edificios de mampostería

Contenido

•  Efectos de temperatura

•  Análisis de temperatura, elementos barra

•  Análisis de temperatura, elementos área

•  Conclusiones


•  Todos los materiales de un edificio tienen cambios de volumen debido a efectos de temperatura y humedad

•  Los cambios de volumen generan expansiones (desplazamientos)

•  La restricción de estos desplazamientos puede causar esfuerzos en los elementos del edificio

•  Un sistema de juntas de expansión reduce el potencial de grietas y los problemas que podrían causar


•  Coeficiente de expansión térmico La propiedad del material que indica la deformación unitaria debido a una variación de la temperatura con respecto al estado inicial

Material x10-6 mm/mm/°C Mampostería 7.2

Concreto 9.9 Acero estructural 11.7

Aluminio 23.1

Coeficiente de expansión térmico, α, para algunos materiales

Está propiedad depende de la longitud del material en la sección de análisis


•  Desplazamiento no restringido

Apoyo simple

Apoyo simple con traslación

Los efectos de la temperatura dependerán del estado inicial a la cuál se formaron las restricciones

L

El incremento de la longitud del elemento, Δ

Δ

( )final inicialL T TαΔ = −


•  Desplazamiento no restringido

Acero

Concreto

Mampostería

0.14 mm

0.12 mm

0.08 mm

L = 12 m

Un incremento de 1 °C de temperatura con respecto a la temperatura inicial


•  Desplazamiento restringido

Apoyo simple Apoyo simple

L

= Apoyo simple

Apoyo simple con traslación

Δ

+ Fuerza para contrarrestar el desplazamiento

EL

σΔ

=


•  RCDF-2005 NTC-Mampostería-2004. Cuando por un diferencial de temperatura así se requiera, o cuando la estructura tenga una longitud mayor de 40 m, será necesario considerar los efectos de la temperatura en las deformaciones y elementos mecánicos o bien generar juntas constructivas.

•  Se deberá poner especial cuidado en las características

mecánicas de la mampostería al evaluar los efectos de temperatura.


•  Efectos de la variación de la temperatura en una losa de concreto ligada a muros de mampostería.

•  Los muros se analizaron mediante el método de la columna ancha

•  Las losas se modelaron mediante: –  Elementos barra ligados rígidamente a los muros de mampostería –  Elementos áreas ligados a los muros de mampostería

Modelos para evaluar los efectos de temperatura:


MH-30 MH-40

Modelo M-60

Propiedades de los materiales:


Concreto Mampostería Módulo de elasticidad 221, 360 kg/cm² 16, 000 kg/cm² Coeficiente de expansión térmico 1 x 10-5 mm/mm/°C 0.6 x 10-5 mm/mm/°C

vm* --- 5.0 kg/cm²

Losa y muros como elementos barra

•  Los muros se analizaron mediante el método de la columna ancha, y las losas se modelaron mediante elementos barra ligados rígidamente a los muros de mampostería.

•  Para los tres modelos en una primera prueba se hizo variar el incremento de temperatura solo en la losa de azotea de 5 a 35 °C en variaciones de 5 °C

Análisis por temperatura ΔT en azotea



Los muros de columna ancha (naranja), ligados con elementos rígidos (azul)



Losa como elementos barra (azul), ligados a los muros con elementos rígidos (rojo)

Deformadas:

Las deformaciones y los cortantes se concentran en los muros extremos del último nivel

Figura 1 Deformada Modelo M-30




Figura 1 Diagrama de cortantes Modelo M-30



Diagramas de cortantes:


Cortantes y desplazamientos: v*m= 3 kg/cm2

E= 16,000 kg/cm2


Se consideró un F.C. = 1.4

ΔT en azotea

ΔT [ °C ] Vu [ t ] (Nivel 6) Δ [ mm ] (Nivel 6)

M-30 M-45 M-60 M-30 M-45 M-60 5 2.2 2.3 3.3 0.6 0.9 1.1

10 4.5 5.8 6.5 1.2 1.8 2.3 15 6.7 8.7 9.8 1.8 2.6 3.4 20 8.9 11.6 13.1 2.4 3.5 4.5 25 11.1 14.5 16.3 3.0 4.4 5.6 30 13.4 17.3 19.6 3.6 5.3 6.8 35 15.6 20.2 22.8 4.2 6.2 7.9

Cortantes vs. Resistencias (muros extremos 6º nivel):

Se observa en todos los modelos que las deformaciones y por tanto las fuerzas cortantes máximas se concentraban en los muros exteriores del último nivel.


Losa como elementos área, muros elemento barra

•  Los muros se analizaron mediante el método de la columna ancha, y las losas se modelaron mediante elementos área ligados a los muros de mampostería.

•  Se presenta el análisis del modelo más desfavorable, de 60 m, con incremento de temperatura solo en la losa de azotea de 5 a 35 °C en variaciones de 5°C


Losa como elementos área, muros elemento barra


La losa, como elemento área, subdividida con cuadrados de 25 cm de lado

Deformadas: Las deformaciones y los cortantes se concentran en los muros extremos del último nivel


Diagramas de cortantes:


Cortantes y desplazamientos:



ΔT en azotea

ΔT [ °C ] Vu [ t ] (Nivel 6) Δ [ mm ] (Nivel 6

M-60 (barra)

M-60 (área) % Dif. M-60

(barra) M-60 (área) % Dif.

5 3.3 3.9

-21 %

1.1 1.1

1 %

10 6.5 7.9 2.3 2.2 15 9.8 11.8 3.4 3.3 20 13.1 15.8 4.5 4.4 25 16.3 19.7 5.6 5.5 30 19.6 23.7 6.8 6.7 35 22.8 27.6 7.9 7.8

Cortantes vs resistencia (muros extremos 6º nivel):



ΔT en azotea

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Vu

[ton]

ΔT en losa de azotea [°C]

M60-BarraM60- ÁreaVR sin ref horVR con ref hor

Efectos sobre el sentido transversal:

Al modelar la losa como elemento área, se puede demostrar el impacto de la temperatura a lo ancho del muro.


Cortante transversal (muros extremos 6º nivel):



ΔT en azotea

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Vu [t

on]

ΔT en losa de azotea [°C]

M60-Área


Losa como elementos área, muros elemento barra, junta constructiva a la mitad del largo del edificio.

Los desplazamientos, en los nodos de los muros extremos se reducen un 46 % respecto al modelo sin la junta. El desplazamiento máximo es de 4.2 mm


Losa como elementos área, muros elemento barra, junta constructiva a la mitad del largo del edificio.

Las fuerzas cortantes, en los muros extremos, se reducen en 35 % respecto al modelo sin la junta.

Incrementos de temperatura prueba 2:

Se estudió el efecto que tendría en los muros de mampostería un incremento de temperatura tanto en la losa de azotea como en las de entrepiso, para esto se consideraron dos casos:

• Un incremento de temperatura en la losa de azotea de 20 °C

• Un incremento de temperatura en la losa de azotea de 25 °C

Para ambos casos se mantuvo constante el incremento de temperatura en las losas de azotea mientras se hacia variar el incremento de temperatura en la losas de entrepiso de 0.0 a 0.5 veces la variación de temperatura en la losa de azotea.

Análisis por temperatura ΔT en losas internas

Deformadas:





Figura 1 Diagrama de cortantes para ΔText =25 ºC y ΔTint = 2.5 ºC



Diagramas de cortantes

(inmueble de 60 m):


Reducción del cortante en muros del último nivel e incremento en los de planta baja incrementando la temperatura en entrepisos:

Muros de planta baja Muros del 6º nivel

Se observó que según se va incrementando la variación de temperatura en las losas de entrepiso la fuerza cortante en los muros del último nivel va disminuyendo mientras que en los muros de planta baja ocurre lo contrario.



Efectos de temperatura en un edificio


Efectos en un edificio de mampostería

•  Largo 80.5 m •  Ancho 9.7 m •  Altura 17.3 m

•  Constituido por muros de mampostería y de concreto.

•  La losa es de vigueta



Los muros extremos reciben las mayores fuerzas cortantes 8.5 t (amarillo) y 22.6 t (rojo), para un ΔT de 35°C La distribución de las fuerzas cortantes ha variado debido a la falta de simetría en la arquitectura



Las deformaciones también varían debido a la configuración de la losa con un desplazamiento de hasta 5.6 mm para un ΔT de 35 °C


Efectos en un edificio de mampostería Junta constructiva

Junta constructiva (0.6 m)

43.7 m 36.4 m



Los muros extremos reciben las mayores fuerzas cortantes En los muros de la junta se presenta una concentración de fuerzas cortantes de 15 t , para un ΔT de 35°C En los extremos opuestos a la junta las fuerzas disminuyen en 30 % 6.3 t (amarillo) y 15.9 t (rojo), para un ΔT de 35°C

Junta constructiva



Las deformaciones también disminuyen, siendo la máxima de 3.5 mm, para un ΔT de 35 °C, un 38 % menos

Junta constructiva


Conclusiones:

•  Se observó que los muros ubicados en el sentido largo del edificio son los que más esfuerzos cortantes tienen por la dilatación de las losas de azotea y/o entrepisos.

•  Cuando el incremento de temperatura ocurre solamente en la losa de azotea las fuerzas cortantes se concentran prácticamente en los muros del último nivel.

•  La capacidad de los muros sin refuerzo horizontal pueden ser fácilmente excedida aún para valores de 10º C de variación de temperatura.


Conclusiones:

•  Considerar la losa como elemento barra da una idea de los efectos de la temperatura, sin embargo es necesario un análisis más preciso con elementos área

•  Utilizar juntas constructivas para edificios largos disminuye los efectos de la temperatura, el efecto de la junta dependerá de la configuración de la planta del edificio


RCDF-2005 NTC-Mampostería-2004. Cuando por un diferencial de temperatura así se requiera, o cuando la estructura tenga una longitud mayor de 40 m, será necesario considerar los efectos de la temperatura en las deformaciones y elementos mecánicos o bien generar juntas constructivas.

Efectos de temperatura en edificios de mampostería

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