12. DISEÑO DE PÓRTICOS DÚCTILES ESPECIALES
12.1. INTRODUCCIÓN.
En las vigas de hormigón armado, en particular cuando forman parte de pórticos resistentes a cargas gravitatorias y de sismo, los esfuerzos de flexión son los que deberían controlar el diseño. Como se verá, en la filosofía de diseño por capacidad, por lo general los extremos de las vigas son los lugares seleccionados para comenzar a rotularse plásticamente a los efectos de disipar la energía del sismo. Es por ello que la falla primaria debería ser iniciada por la fluencia de sus armaduras en tracción. Se deben evitar fallas de corte, de adherencia, de anclaje y de inestabilidad por pandeo. Además, bajo cargas de servicio se deben satisfacer los requerimientos de rigidez, los cuales se verifican manteniendo las deformadas por debajo de los niveles admisibles.
12.2 - DEFINICIONES
Código ACI 318-99 - Capítulo 21
Algunas definiciones de especial importancia:
Elementos de borde (Boundary elements) – Partes de los muros estructurales y los diafragmas, localizadas en los bordes y alrededor de las aberturas, a las cuales se les da resistencia adicional por medio de armaduras longitudinales y transversales.
Elementos colectores (Collector elements) – Elementos, localizados dentro de los diafragmas, que transmiten las fuerzas inerciales al sistema de resistencia ante fuerzas horizontales.
Estribo suplementario (Crosstie) – Barra de refuerzo que tiene un gancho sísmico en un extremo y en el otro extremo un gancho de no menos de 90° con una extensión de 6db. Los ganchos deben abrazar el refuerzo longitudinal. Los ganchos de 90° se deben alternar en la altura.
Desplazamiento de diseño (Design displacement) – Desplazamiento horizontal total esperado para el sismo de diseño, tal como lo prescribe el Código general.
Estribo de confinamiento (Hoop) – Un estribo cerrado o enrollado continuo.
Puede estar compuesto por uno o varios elementos, cada uno de los cuales debe tener ganchos sísmicos en sus extremos.
Sistema de resistencia sísmica (Lateral-force resisting system) –
Aquella parte de la estructura compuesta por elementos diseñados para resistir las fuerzas provenientes de los efectos sísmicos.
Pórtico de Momento (Moment frame) – Pórtico espacial en el cual los elementos y nudos (o conexiones) resisten las solicitaciones por medio de flexión, fuerzas cortantes y fuerzas axiales. Existen las siguientes clases de pórticos:
- Pórtico de momento intermedio (Intermediate moment frame) – Un pórtico que cumple con los requisitos de 21.2.2.3 y 21.10 adicionalmente a los de pórticos comunes.
- Pórtico de momento ordinario (Ordinary moment frames) – Un pórtico que cumple con los requisitos de los Capítulos 1 a 18.
- Pórtico de momento especial (Special moment frame) – Un pórtico que cumple con los requisitos de las Secciones 21.2 a 21.5 adicionalmente a los de pórticos comunes.
Muros estructurales (Structural walls) – Muros dispuestos para que resistan combinaciones de fuerzas cortantes, momentos y fuerzas axiales inducidas por los movimientos sísmicos. Un muro de corte (shear wall) es un muro estructural. Existen las siguientes clases de muros estructurales:
- Muro estructural común de concreto armado (Ordinary reinforced concrete structural wall) – Un muro que cumple con los requisitos de los Capítulos 1 a 18.
- Muro estructural común de concreto simple (Ordinary structural plain concrete wall) – Un muro que cumple con los requisitos de Capítulo 22.
- Muro estructural especial de concreto armado (Special reinforced concrete structural wall) – Un muro que cumple con los requisitos de 21.2 y 21.6 adicionalmente a los requisitos de muros estructurales comunes.
- Gancho sísmico (Seismic hook) – Gancho en un estribo, estribo de confinamiento o estribo suplementario que tiene un doblez de no menos de 135° y una extensión de 6d b, pero no menos de 75 mm, que abraza el refuerzo longitudinal y se proyecta hacia el interior de la sección.
Elementos de borde especiales (Special boundary elements) – Elementos de borde requeridos por 21.6.6.2 y 21.6.6.3.
12.3 - REQUISITOS GENERALES
Alcance
El Capítulo 21 contiene lo que se considera deben ser los requisitos mínimos que se deben emplear en las estructuras de concreto armado para que sean capaces de resistir una serie de oscilaciones en el rango inelástico de respuesta sin que se presente un deterioro crítico de su resistencia.Por lo tanto el objetivo es dar capacidad de disipación de energía en el rango inelástico de respuesta.
12.4 - ELEMENTOS A FLEXIÓN EN PÓRTICOS ESPECIALES
REFUERZO LONGITUDINALLas resistencias a momento en cualquier sección deben cumplir:
REFUERZO TRANSVERSAL
TODOS ESTOS REQUISITOS ASEGURAN U NA CAPACIDAD DE DUCTILIDAD ALTA PARA TODAS LAS SECCIONES CRÍTICAS DE VIGAS
FUERZAS CORTANTES DE DISEÑO
Las fuerzas de diseño se calcularán en base a las cargas por gravedad factorizadas y los
momentos resistentes de las secciones en el elemento.
Los Mnu se encuentran considerando que el esfuerzo en el acero es fs =α f ; (α =1.25) y el factor de reducción de capacidad φ =1
12.5 REDISTRIBUCIÓN DE MOMENTOS.
FUNDAMENTOS Y OBJETIVOS. En general, la combinación de los efectos de cargas gravitatorias y de sismo resulta en una distribución de momentos en los pórticos que no permiten un diseño muy efectivo de las vigas y las columnas.
Los objetivos de la redistribución de esfuerzos se pueden resumir en:
(i) Reducir el máximo momento absoluto, generalmente en la zona de momento negativo de la viga, y compensar dicha reducción incrementando los momentos (generalmente positivos) en las zonas no críticas. Donde sea conveniente y posible, se tratará de que los momentos requeridos negativo y positivos sean aproximadamente iguales. Esto resultará en un arreglo de armaduras para flexión simple y simétrica en esas secciones de vigas.
(ii) Igualar los requerimientos de momentos críticos para las secciones de vigas ubicadas en caras opuestas de columnas interiores, que resultan de la reversión de las fuerzas sísmicas aplicadas. La ventaja de igualar momentos a ambos lados de la columna es evitar tener que anclar armadura de flexión en las vigas en el interior de la unión viga-columna o nudo. En el caso en que se acepten momentos diferentes a ambos lados, y no se ancle en el nudo, el diseño estará controlado por el mayor momento y al anclar del otro lado las armaduras producirán una sobre resistencia a flexión que no es deseada.
(iii) Utilizar la máxima capacidad de momento positivo que requieren los códigos cuando éste excede las demandas derivadas de un análisis elástico. En general, los códigos, por ejemplo el IC-103-II, sección 2.2.6, establecen que en zonas potenciales de rótulas plásticas, la armadura de compresión A´s debe al menos ser igual al 50 % de la armadura As en tracción. La intención de esta exigencia es: (i) asegurar que la presencia de armadura de compresión en flexión contribuya a una adecuada ductilidad de la sección bajo la acción de grandes momentos negativos, y (ii) suministrar un mínimo de resistencia a momento positivo que contemple su presencia ante las incertidumbres de la modelación de cargas y estructura.
12.6 REQUERIMIENTOS DE EQUILIBRIO PARA REDISTRIBUCIÓN DE MOMENTOS
El requerimiento esencial en el proceso de redistribución de momentos es que se debe mantener el equilibrio ante las acciones sísmicas y gravitatorias. La Fig. 1 representa una porción de un pórtico de un edificio de varios pisos, la cual se toma como cuerpo libre cortando las columnas en sus puntos de inflexión de momentos por encima y por debajo de la viga de un piso cualquiera. La configuración de diagramas de momentos que se muestra resulta de un análisis elástico ante las acciones simultáneas de cargas gravitatorias y fuerzas sísmicas. Se designa con V´j y Vj respectivamente a las fuerzas de corte transmitidas por las columnas por encima y por debajo del piso, cuando la dirección del sismo es de izquierda a derecha, como lo indica la fuerza Fj. Note que esas fuerzas de corte incluyen los efectos de las cargas gravitatorias. Sin embargo, dado que no hay fuerzas horizontales aplicadas al pórtico debido a cargas gravitatorias, no puede existir un corte asociado a dichas cargas. Por lo tanto, la suma de las fuerzas de corte en cada piso que corresponden a cargas verticales debe ser nula. En consecuencia, las fuerzas de corte de piso resultantes en cada nivel, V´j y Vj, son exclusivamente debidas a las fuerzas horizontales sísmicas Fj. En la figura, con i se designa a cada columna (de i=1 a i=4 en este caso), mientras que j corresponde a un nivel determinado del pórtico.
Al considerar las condiciones de equilibrio, se hace la simplificación de que la distancia entre los puntos de contraflecha de las columnas por encima y por debajo de la viga es la misma para todas las columnas del pórtico, y que esta distancia no cambia durante la redistribución de momentos en las vigas. Se puede comprobar que esto es una suposición bastante válida para pórticos relativamente regulares. En función de lo indicado en la Fig. 1, la condición supuesta es que (l´i+li)=lc, es una constante. La condición de equilibrio a satisfacer se puede plantear con las fuerzas de corte por un lado y con los momentos por otro. El equilibrio de fuerzas horizontales requiere:
12.7 DISEÑO DE SECCIONES DE HORMIGÓN ARMADO A FLEXIÓN.
En el Cap. 10 del C-201-05 están las consideraciones generales que hacen al diseño de secciones de hormigón armado sometidas a flexión y a esfuerzo axial, y combinación de ambas. Se hace una síntesis a continuación:- Se debe cumplir con las condiciones de equilibrio (estática) y compatibilidad deformaciones).
- Las deformaciones se consideran proporcionales a la distancia al eje neutro.
- Para la resistencia nominal adoptar en el hormigón ´cmáx= 0.003.
- Para el acero adoptar fs = Es . s, cuando fs < fy, y si s y, adoptar fs = fy.
- Se ignora la resistencia a tracción del hormigón.
- La relación f- del hormigón en compresión se puede adoptar como rectangular, trapezoidal, parabólica o de otra forma que de resultados satisfactorios.
- Se puede usar para el punto anterior el diagrama simplificado de distribución de tensiones equivalentes.
Note que la ductilidad de curvaturas para la falla balanceada es 1.0 (no cero), y el diseñador debe alejarse de esta situación pues en ese caso el comportamiento de la
sección sería frágil. En vigas, la máxima deformación del acero y por ende la ductilidad
está controlada por la cantidad de armadura en tracción. En columnas, quien controla
el tipo de falla fundamentalmente es el nivel de carga axial.
12.8 DISTANCIA ENTRE LOS APOYOS LATERALES DE ELEMENTOS SOMETIDOS A FLEXIÓN Y DE DIMENSIONES DE LOS ELEMENTOS.
En la parte sísmica, el ACI-103, sección 2.2.1 y el NTP:3101 en sección 8.5.2 establecen las siguientes limitaciones:
12.9 DEFINICIÓN DE LONGITUD DE RÓTULA PLÁSTICA.
Es importante identificar con claridad las ubicaciones y extensiones de las potenciales rótulas plásticas dado que ellas son objeto de detalles especiales en el caso de pórticos dúctiles sometidos a acciones sísmicas. En el caso de que las acciones que controlan el diseño son las sísmicas, las rótulas plásticas se localizan comúnmente en la zona adyacente de las caras de las columnas, como se muestra en el caso de las vigas más cortas de la Fig. 7(a). En la Fig. 8 se muestra la extensión de la zona de rótula para el caso de sección crítica ubicada en la cara de la columna y en el tramo de la viga. En este último caso se ve que en la cara de la zona de momento positivo se debe tomar lRP=2(2h)=2h. Hay casos en que por diversos motivos, como problemas para anclar las barras de las vigas, el diseñador decide mover la plastificación hacia el centro de la viga. En esos casos, la Fig. 9 muestra la longitud a considerar como plástica.
12.10. GANCHOS NORMALES.
Por aplicación de las normas en estudio, ya no es necesario utilizar ganchos en todos los extremos de las barras como lo exige el CCSR-Mza-87. Esto es algo muy racional pues no es necesario utilizar ganchos cuando no se los necesita, y en muchos casos va en detrimento de la respuesta, ver. Ref.[12]. Los ganchos normales según C-201-05 se muestran en la Fig. 10(a).
12.11 ACI-318-2001. CAPÍTULO 21.
Se extractan puntos principales.12.1 Miembros a flexión de Pórticos Especiales.
12.1.1 Relaciones de dimensiones.
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