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Comportamiento ante carga lateral de conexiones híbridas en
muros prefabricadosG. Mora-Vargas and G. Santana
LANAMMEUniversidad de Costa Rica
V Convención Internacional del ACI Perú
INTRODUCCIÓN
Dinamismo de Rapidez Innovación
Industria de Concreto Prefabricado
Control decalidad
producción constructiva
Investigaciónexperimental
de soluciones
En la última década, la investigación sobre muros de cortante, gbajo técnicas del prefabricado y presforzado ha sido prioridaddebido a importancia como elemento sismo-resistente.
Estudiados en zonas de moderada a alta actividad sísmicacomo: Nueva Zelanda, Estados Unidos y Japón.
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DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
Aumento en el uso de los sistemas prefabricados ha obligadoa la búsqueda de soluciones estructurales más eficientes,seguras, económicas y adaptables estos sistemas.
Principal obstáculo en su aplicación es incipiente desarrollode teoría y modelos.
En Costa Rica la implementación de sistemas investigados enotros países se ve limitada ya que los diseños y resultados nootros países se ve limitada ya que, los diseños y resultados nopueden ser asumidos estrictamente.
Códigos de diseño actuales enfocan especificaciones aestructuras de concreto reforzado u otras que las emulen.
JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO
Beneficios de los elementos de concreto prefabricados:control de calidad, rapidez constructiva, disminución decantidad de formaleta, ahorro y disminución en flujo demateriales y disminución de mano de obramateriales y disminución de mano de obra.
Uso histórico de especificaciones basadas en elementos deconcreto reforzado demandan invención.
Desarrollo de especificaciones más estrictas en los códigosen regiones de alto riesgo sísmicoen regiones de alto riesgo sísmico.
Importancia radica en estudiar el comportamiento de unmuro híbrido, obtener la ductilidad y documentar los dañosestructurales.
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OBJETIVOS
Diseñar y construir muro híbridopara someterlo a carga lateral cíclica y
analizar comportamiento fuerza-deformación
Definición demuro prototipo
Obtención decurva de histéresis
Comparación de curva decapacidad con curva de
espectro de la demanda delCSCR 2002.
E t bl t j
analizar comportamiento fuerza-deformación.
Establecer ventajas comoelemento sismoresistente.
ALCANCES
Estudiar comportamiento de panel de muro sometido a cargalateral pseudo-estática.
No propone metodología de diseño.Sigue especificaciones y experiencias adquiridas
Obtención de curvas de fuerza-desplazamientoe historias de deformaciones
Identificación de ventajas del sistema sobre el sistema convencional
lateral pseudo estática.
Identificación de ventajas del sistema sobre el sistema convencionalde muros de concreto reforzado.
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LIMITACIONES
Pocas especificaciones y parámetros de diseño en códigosnacionales e internacionales.
Análisis sísmico se realiza para un edificio concaracterísticas particulares, regular en planta y altura.
La prueba debe adecuarse a las características y equipodisponible en el Plantel de Holcim (Costa Rica) yLANAMME.
Deficiente sistema de aplicación de carga axial el cualproduce excentricidades y variaciones.
MARCO TEÓRICO:MUROS ESTRUCTURALES HÍBRIDOS
Junta Híbrida: Desarrollada por NISTIR 1995 para utilizarla en uniones viga-l Si ifi i i i d i idcolumna. Sigue especificaciones y experiencias adquiridas
Definición Muro Híbrido: Sistema de muro de cortante prefabricado queutiliza en la junta acero de postensión y algún mecanismo de amortiguación.
CSCR 2002 incorpora la conexión híbrida como uno de los tipos permitidos.
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ANTECEDENTES DE DISEÑO
C ité PCI b P PRESSS T b j j t T b j j t
Esfuerzos por desarrollar metodologías de diseñoespecificaciones y mejoras en el sistema.
Fomentar el estudio deductilidades y control
de deformaciones.
Comité PCI sobremuros prefabricados.
(USA 1997)
- Diseño para 2% de deriva por método de
Análisis, diseño yprueba experimental.
Programa PRESSS(California 1999)
- Define estados.- Limita derivas a
Recomendacionesde diseño.
Trabajos conjuntos:Kurama, Sauce,
Pessiki y Le -Wu Lu(Japón y USA 1999-2002)
- Deriva lateral 2,5%.- Acero pasivo
Híbrido vrs Convencional
Trabajos conjuntos:Holden, Restrepo, Mander.
(Nueva Zelanda y USA 2003)
desplazamientos .- Reduce fuerzas 45%.
1,5% - 2,5%. como disipador.
PROPUESTA DE DISEÑO
Cargas gravitacionales y lateralessegún CSCR 2002
Escogencia de un edificio y configuración de sistema sismoresistente.
Evaluación y diseño de muroy conexión con fundación.
Selección de geometríay análisis lateral final.
según CSCR 2002.
Junta Híbrida Códigos:CSCR 2002 y ACI 318-02
Experiencia de otrosproyectos similares.
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Conexión dúctil que cause daños mínimos antes dederiva de diseño aproximadamente de 2%.
Se hace diseño por capacidad en el estado de fluenciad l d d fi ié d l id ddel acero postensado definiéndola como capacidadúltima y restringiendo la deriva.
Se revisa diseño por capacidad en estado nominal.
Capacidad nominal de la junta similar a una capacidadCapacidad nominal de la junta similar a una capacidadnominal típica para un muro de concreto reforzado bajomismas cargas de diseño ≅ 110 Mg-m
DESARROLLO TEÓRICO DEL MODELO DE ANÁLISIS
Edificio de apartamentos con
4 muros en caras exteriores.
Diafragma rígido.
Combinaciones de cargas según
CSC 2002CSCR 2002.
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Análisis estructural conprograma SAP2000.
Se utilizó método estáticodel CSCR 2002 a pesar dedel CSCR 2002 a pesar deque según Cleland (1997) yKurama (2002) sugierenque estos son conservado-res.Zona Sísmica III y suelo S3Ductilidad 3 en lugar de 1.5
Fuerzas de diseño = Cortante = 16,31 Ton
Momento = 81,92 m Ton
Axial = 40,51 Ton
DISEÑO DE LA UNIDAD DE PRUEBA
Unidad modela el comportamiento del panel inferior delmuro híbrido como una viga en voladizo y con carga axial
li d
Panel de Muro Híbrido Conexión HíbridaM F d ió
Placa de Fundación
Especímen de falla
aplicada.
Muro-Fundación
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PROGRAMA EXPERIMENTAL
Fabricación de la Unidad de PruebaConstruido con materiales y procesos constructivosutilizados por la empresa Holcim (Costa Rica).
Materiales utilizados: Concreto de Alto Desempeño (700kg/cm2), mortero de inyección, acero de refuerzo ASTMA-615, acero de alta resistencia ASTM A-416, placas deacero A36, herrajes y soldadura.
C t d 2 i i d f d ió l dConsta de 2 piezas: viga de fundación y panel de murohíbrido.
El proceso constructivo pretende emular procedimientoreal.
Panel de Muro Híbrido
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Placa de fundación
Postensado de piezas
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Colocación en posición verticalen el LANAMME.
Montaje del ensayo experimental
Oeste (-) Este (+)
Carga Axial
Oeste (-) Este (+)
Carga Axial
Oeste (-)Este (+)
Carga Axial
Viga Cargador
ArriostreLateral
ArriostreLateral
Carga Lateral
ArriostreLateral
ArriostreLateral
Carga Lateral
ArriostreLateral
ArriostreLateral
Marco de Carga Axial
Carga Lateral
Carga Lateral
ArriostreLateral
ArriostreLateral
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Montaje de la PruebaInstrumentación
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LVDT’s y Diales Digitales
Montaje final de prueba
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Sistema de carga lateral:
69.3
4.46
20
25
30
35
40
45
50
rga
late
ral (
Ton) Capacidad No minal
Capacidad Última-Gato Hidráulico
-Patrón de desplazamientos a partir de modelo de junta
0
1.47
0
5
10
15
0 10 20 30 40 50 60 70 80Desplazamiento (mm)
Car
Inicio de abertura de la junta
híbrida.
-ASTM E 2126-02a “Método Estándar para aplicación de carga cíclica”
Sistema de carga axial:Sistema de carga axial:
-Mecanismo que minimiza fricción y permite la rotación
-Aplicación de 36.5 Mg.
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ResultadosCurva de Histéresis
Curva de Histéresis Muro Híbrido
40.00
Paso 1.1
Paso 2.1
Paso 3.1
-10.00
0.00
10.00
20.00
30.00
-100.00 -80.00 -60.00 -40.00 -20.00 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00
rga
Lat
eral
(Ton
)
Paso 4.1
Paso 5.1
Paso 6.1
Paso 6.2
Paso 6.3
Paso 7.1
Paso 7.2
Paso 7.3
Paso 8.1
Paso 8.21
-40.00
-30.00
-20.00
10.00
Desplazamiento (mm)
Car Paso 8.3
Paso 9.1
Paso 9.2
Paso 9.3
Paso 10.1
Paso 10.2
Paso 10.3
Paso 11.1
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Galgas ExtensométricasHistoria de apl icación de carga lateral
0 0
10.0
20.0
30.0
40.0
ral (
ton)
Tramos constantes marcan pausas durante la prueba.
-40.0
-30.0
-20.0
-10.0
0.00 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000
Tiempo (se g)
Car
ga la
ter
Historia de deformación para Galga #2 ubicada en Aro pequeño de confinamiento
160
180
200
Confirmó la posibilidad de
-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000
Tiempo (seg)
Def
orm
ació
n (
με)
preducir confinamiento enzonas laterales para alturasmayores a 2 veces eje neutro.
Historia de deformación para Galga #3 ubicada en Aro de cortante externo
600
800
1000
1200
1400
1600
orm
ació
n (
με)
Aros de cortante cercanosa la base registrarondeformaciones cercanas a lafluencia
-200
0
200
400
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000
Tiempo (seg)
Def
o
Historia de deformación para Galga #5 ubicada en Aro de cortante externo
60
80
100
Al contrario, en aros decortante externos ubicados
-60
-40
-20
0
20
40
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000
Tiempo (seg)
Def
orm
ació
n (
με)
cortante externos ubicadosa 60 cm de la base lasdeformaciones se reducenen un 95%.
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Galgas #9 y #10 enacero pasivo registraronfluencia en los pasos 7 y6 respectivamente.
Historia de deformación para Galga #9 ubicada en el Acero Pasivo
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Def
orm
ació
n (
με)
Historia de deformación para Galga #10 ubicada en e l Acero Pasivo
8000
10000
12000
-500
0
500
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000
Tiempo (seg)
-6000
-4000
-2000
0
2000
4000
6000
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000
Tiempo (seg)
Def
orm
ació
n (
με)
Historia de deformación para Galga #7 ubicada en Acero longitudinal de zona de confinamiento
-600
-400
-200
0
200
400
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000
efor
mac
ión
(με
)
Registró deformacionesde hasta 0,0012 lo queresalta su importanciacomo anclaje y transmisorde esfuerzos.
-1400
-1200
-1000
-800De
Tiempo (seg)
Historia de deformación para Galga #13 ubicada en Acero Postensado
2000
2500
-500
0
500
1000
1500
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000
Tiempo (seg)
Def
orm
ació
n (
με)
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DISCUSIÓN DE RESULTADOSDeflexión y agrietamiento que sufrió placa de fundación sedebió a condición de carga no revisada. Capacidad diseñadaera de 6.38 Mg-m y se vió sometida a 10.65 Mg-m.
P b i t lPrueba experimentalNo hubo daños considerables hasta deriva de 2.08%.Paso 6 se observaron grietas en zona de acero pasivo.
Paso 9 se hace más notoria lapérdida de anclaje en la varilla deacero pasivo. Altura de 40 cm.
Paso 10 inicia el desconchamientodel concreto de recubrimiento.Inicio de grieta en extremo desoldadura.
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Paso 11 grietas en zona deanclaje de acero pasivotienen una altura aprox.De 70 cm.
Se detiene prueba paraevitar falla frágil debido apresencia de grieta de 2cm en soldadura.
Curva de Histéresis
- Hasta paso 5 se notacomportamiento elástico lineal.
Curva de Histéresis Muro Híbrido: Paso 3.1
0.00
5.00
10.00
15.00
-4.00 -3.00 -2.00 -1.00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00
- A partir del paso 6 se da unareducción en la rigidez deestructura. Fluencia de aceropasivo. Curva de Histéresis Muro Híbrido: Paso 6.1
10.00
15.00
20.00
-15.00
-10.00
-5.00
D e s p l a z a m i e n t o ( m m )
- Se mantienen características desistema elástico bilineal.
-25.00
-20.00
-15.00
-10.00
-5.00
0.00
5.00
-20.00 -15.00 -10.00 -5.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00
D e s p laz a mie nt o ( mm)
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Según trabajos anteriores (Hernández, 2003) se puedehacer analogía;Sistemas elastoplásticos DuctilidadSistemas elástico lineales Ductilidad generalizada
Paso 6.3 deriva de 0.35% y paso 11.1 deriva de 2.08%calcularía una ductilidad generalizada igual a 5.94 .
Si se utiliza esta ductilidad se logra una reducción defuerzas de diseño de aprox. 30% respecto a ductilidadp putilizada igual a 3 y de aprox. 50% respecto a la querestringe el CSCR-2002 igual a 1.5.
Comparación de respuesta teórica con experimental exponereducción en capacidad esperada.
Confirma que métodos de fuerzas son poco representativos.
Gráfico de respuesta del sistema de muro híbrido: Carga lateral monotónica vrs desplazamiento lateral.
27.1
37.3
22 82
26.5329.02
25
30
35
40
(ton)
0
7.78
3.75.99
10.2612.6
13.8616.61
20.2422.82
0
5
10
15
20
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Desplazamiento (mm)
Car
ga L
ater
al
Junta HíbridaExperimental
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Se descartó resultados del LVDT D ubicado en la partesuperior.
Se tomaron lecturas en los diales digitales que puedenproporcionar datos de rotación de la juntaproporcionar datos de rotación de la junta.
Dial horizontal ubicado en fundación descartó movimientode fundación. Desplazamientos horizontales menores a4,3% de la deriva respectiva
Respuesta de muro convencional:
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Respuesta histerética de muro convencional
20
30
40
Paso 2Paso 3Paso 4Paso 5
-10
0
10
20
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
Fuer
za L
ater
al A
plic
ada
(ton
)
Paso 5Paso 6-1Paso 6-2Paso 6-3Paso 7-1Paso 7-2Paso 7-3Paso 8-1Paso 8-2Paso 8-3Paso 9-1Paso 9-2Paso 9-3Paso 10-1Paso 10-2Paso 10-3
-40
-30
-20
Desplazamiento (mm)
Paso 11-1Paso 11-2Paso 11-3Paso 12-1Paso 12-2Paso 12-3Paso 13-1Paso 13-2
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Amortiguamiento Histerético Muro Híbrido
5%
10%
15%
20%
ζ eq
ui
0%0 10 20 30 40 50 60 70 80
Δ max (mm)
Amortiguamiento Histerético Muro Híbrido
15%
20%
0%
5%
10%
15%
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
μ, ductilidad
ζequ
i
Experimental Propuesta Priestley
Amortiguamiento Histerético Muro Híbrido
20%
0%
5%
10%
15%
20%
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
ζequ
i
μ, ductilidad
Experimental Propuesta
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Amortiguamiento Histerético Muro Híbrido
25%
0%
5%
10%
15%
20%
25%
equi
0%1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
μ, ductilidad
Muro Convencional Muro Híbrido
Comparación muros
1,5%
-1,0%
-0,5%
0,0%
0,5%
1,0%
1,5%
-2,5% -2,0% -1,5% -1,0% -0,5% 0,0% 0,5% 1,0% 1,5% 2,0% 2,5%
Der
iva
resi
dual
-1,5%
Deriva pico
Convencional Híbrido
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Muro Convencional y Muro Híbrido
1,40%
0,20%
0,40%
0,60%
0,80%
1,00%
1,20%
Der
iva
resi
dual
0,00%0,0% 0,5% 1,0% 1,5% 2,0% 2,5%
Deriva pico
Convencional Híbrido B IO LS CP C
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Se planteó un diseño basado enespecificaciones aplicables yexperiencias de otros proyectos.
Se definió un panel de murohíbrido a escala natural con lasdimensiones y detalles necesariospara ensayarlo en el laboratorio.
El acero de postensión noEl acero de postensión notransfiere esfuerzos de tensión alconcreto por lo que se reduce elagrietamiento en el panel.
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Para aumentar la capacidad según los resultadosparamétricos obtenidos por Kurama, Pessiki, Sauce y Lu(1999) se puede aumentar el presfuerzo del aceropostensado a por lo menos 0.70 fpu.
En el control de los desplazamientos en los primerosestados antes de la pérdida de rigidez se puede usar unmayor porcentaje de acero dulce, incrementando desde un30%, usado en el diseño del muro híbrido, a un 50% comomáximo que sugiere Kurama (2002).
Se confirmó que es un elemento con una unión que secomporta con una ductilidad local óptima.
Restricción de ductilidad global de 1,5 para el sistema demuro híbrido es muy conservadora. Las respuestasestructurales no son completamente elásticas y su nivel dedisipación de energía es comparable a sistemasp g pconvencionales de muros de cortante.
Diseño de muro híbrido reduce entre un 15% y un 30% elacero utilizado.
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Disipación de energía de amortiguamiento de muros híbridos = ½de disipación de energía inelástica histérica de los muros deconcreto reforzado.Capacidad de restitución sin derivas residuales grandes es unaventaja muy significativa en el comportamiento estructural.j y g p
Curva de His téres is (Datos de l Gato)
10.00
20.00
30.00
40.00
(Ton
)
Alcanzó derivas residuales de 0.25% después de deriva máxima de 2.08%.
E d
-40.00
-30.00
-20.00
-10.00
0.00-100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00
Desplazam iento (m m )
Car
ga L
ater
al (
Muro Convencional
Muro HíbridoEn muros de
concreto reforzado ronda 1.20% para la misma deriva máxima.
Recomendaciones.
Mejorar el sistema de control de la carga axial.Ubicar una placa de acero desadherida que corte la luz dela junta híbrida.la junta híbrida.Diseñar los muros híbridos utilizando métodos dedesplazamiento.Plantear un modelo analítico de la junta híbrida para estediseño específico.Realizar un análisis para establecer el porcentaje deenergía disipada que corresponde al acero pasivo y a lasplacas.Realizar un análisis comparativo de costos totales de unaestructura que utilice este sistema y una de concretoreforzado.
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