filosofía del diseño de estructura de hormigón armado

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Instituto de Mecnica Estructural y Riesgo Ssmico

HORMIGN Iunidad 1:

FILOSOFA DEL DISEO PARA ESTRUCTURAS DE HORMIGN ARMADO.

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Profesor: CARLOS RICARDO LLOPIZ.

CONTENIDO.

I.1. PARMETROS DE COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL. I.1.1. ACCIN vs. DEFORMACIN. CURVA DE RESPUESTA. I.1.2. PARMETROS ESTRUCTURALES GLOBALES. I.4.2.1. RIGIDEZ. I.4.2.2. RESISTENCIA. I.4.2.3. DUCTILIDAD. I.2. DEFINICIN DE ACCIONES DE DISEO. I.2.1. CARGAS Y FUERZAS DE DISEO. I.3. COMBINACIN DE LAS ACCIONES. I.3.1. CRITERIOS GENERALES. 1.4 DEFINICIONES DE NIVELES DE RESISTENCIA. I.5. EJEMPLO DE APLICACIN DE DETERMINACIN DE ACCIONES. I.5.1. ANALISIS DE CARGAS GRAVITATORIAS. I.5.2. DETERMINACIN DE LAS ACCIONES DE DISEO SSMICO.

I.6. BIBLIOGRAFA. Filename T1-diseointroduccin.doc Pginas Emisin JULIO 2001 40 Revisin 1 JULIO 2002 43 Revisin 2 Febrero 2006 44 Revisin Revisin 4 3 Abril julio 2007 2008 44 18 Observaciones

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I.1 PARMETROS DE COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL. I.1.1. EDIFICIO. ACCIN vs. DEFORMACIN. CURVA DE RESPUESTA. La cuantificacin de la respuesta estructural en trminos de parmetros distintivos que la definen, se puede hacer tanto en referencia a cargas gravitatorias como a horizontales, en forma aislada o combinada. Se optar por definir los parmetros de respuesta en funcin de una curva que represente el modelo de comportamiento bajo las acciones combinadas. La Fig. 1.1 muestra en forma esquemtica el edificio en estudio sometido a la accin de cargas gravitatorias y horizontales. Para hacer el modelo de respuesta, se supone que las cargas verticales, provenientes de peso propio y sobrecargas de uso, permanecen constantes y las horizontales, debidas a la accin ssmica, se incrementan desde cero hasta provocar la falla completa del edificio. Hay que distinguir entre respuesta global del edificio, respuesta local de los elementos estructurales y respuesta del material.

(a)

(b)

(c)

Fig. 1.1 Esquema de Edificio Sometido a Acciones Horizontales:(a) acciones (b) desplazamientos (c) Esfuerzos de Corte.

Fig. 1.2. Respuesta Global. Comportamiento Lineal y No Lineal.

Fig. 1.3. Respuesta Global. Identificacin del Comportamiento a varios Niveles.

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Para ambos tipos de respuesta, global y local, se utiliza una representacin en ordenadas de la variable esttica (asociada a equilibrio, fuerza, momento) y en abscisa de la variable cinemtica (asociada a compatibilidad, por ejemplo desplazamientos, deformaciones, rotaciones, etc.), y lo que las vincula es algn tipo de ley constitutiva. En los captulos siguientes se trabajar con respuestas locales, como lo son momento vs. rotacin, momento vs. curvatura, corte vs. distorsin, para los elementos y sus secciones y con tensin vs. deformacin para los materiales. Para la respuesta global, en el caso de un edificio de varios pisos, lo usual es representar cortante total del edificio vs. desplazamiento de la ltima losa. Se supone entonces que las cargas verticales no varan y que el edificio es empujado por las fuerzas horizontales que crecen desde cero en forma esttica, monotnica y proporcional. Esttica porque se aplican lentamente (no genera fuerzas de inercia asociadas a aceleraciones), monotnica porque van siempre en el mismo sentido (no hay reversin) y proporcional implica que todas las cargas horizontales aumentan en forma proporcional, es decir, manteniendo la relacin entre ellas. En la literatura tcnica inglesa este tipo de anlisis se llama push-over. Obviamente esta es una manera de estudiar el comportamiento a carga combinada, es muy instructiva y aunque est lejos de representar lo que sucede durante un sismo, la informacin que se obtiene es muy valiosa. En este caso servir para clarificar los conceptos de rigidez, resistencia y ductilidad. En la Fig. 1.2 se muestra un esquema, (obtenido de informacin japonesa) sobre la diferencia conceptual entre comportamiento Lineal y No lineal. Luego de que la accin desaparece, se ve que en el primer caso, no quedan prcticamente deformaciones permanentes, mientras que en el segundo, la verticalidad del edificio, dependiendo del grado de incursin inelstica, se ha afectado. La Fig. 1.3 muestra varias curvas, algunas identificadas como respuesta observada (observed response) y otras la simplificacin de las mismas (idealized responses). La respuesta observada o real sera la que resulta de, por ejemplo, un ensayo fsico del tipo push-over, o la envolvente de un ensayo dinmico que slo toma fuerzas y desplazamientos positivos. Estas curvas podran tambin haberse obtenido a partir de procedimientos analticos, mediante una adecuada modelacin de las acciones y el edificio. Las curvas idealizadas o simplificadas son las que permiten, por ejemplo, definir hitos que separan caractersticas de la respuesta e identifican los estados lmites. En el eje de ordenadas se ha colocado directamente la variable resistencia, para hacer la discusin an ms general. I.1.2. PARMETROS ESTRUCTURALES GLOBALES. Los tres parmetros que son necesarios identificar para comprender los estados lmites del diseo son la rigidez, la resistencia y la ductilidad. I.1.2.1 Rigidez. Este parmetro relaciona directamente, por ejemplo en este caso, las fuerzas con los desplazamientos, y sirve principalmente para verificar el estado lmite de servicio. En la rigidez global intervienen los mdulos de elasticidad de los materiales, las caractersticas geomtricas de los elementos estructurales y la topologa (distribucin y conexiones de los elementos) de la estructura en su conjunto. No debe olvidarse de que la estructura no es algo plano sino tridimensional. En el caso de estructuras de hormign armado y de mampostera, la evaluacin de la rigidez con cierto grado de precisin no es tan simple, como lo podra ser para, por ejemplo, una estructura metlica. Los fenmenos de fisuracin, deformacin diferida y la evaluacin de la contribucin en traccin del hormign y los mampuestos suele presentar

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bastantes incertidumbres. Estos problemas se enfrentarn ms adelante. Si en la Fig. 1.3 se toma como representativa cualquiera de las dos curvas bilineales, y se define como y el desplazamiento que corresponde a la fluencia de la estructura, y que est asociado a una resistencia Sy, entonces la pendiente de dicha respuesta idealizada como lineal y elstica y dada por K= Sy/y es utilizada para cuantificar la rigidez inicial global del edificio en la direccin analizada. Muchas son las discusiones que se han generado para definir el punto de fluencia. No es objeto entrar ahora en detalle sobre los distintos criterios, sino simplemente mencionar que en la ref.[2] se toma el concepto de rigidez secante refirindola al valor de 0.75 Si, donde con Si se representa la resistencia ideal o de fluencia de la estructura. Al valor de K resultante se lo llama rigidez efectiva y ser ste el que nos interese cuando se verifiquen condiciones de estado lmite de servicio. Una de las condiciones ms comunes a verificar es la de desplazamientos relativos entre pisos, que deben permanecer dentro de ciertos valores, a los cuales los reglamentos modernos de diseo imponen lmites. I.1.2.2 Resistencia. La resistencia de una estructura est dada por la mxima carga, generalmente expresada a travs del esfuerzo de corte en la base, que sta puede soportar bajo la combinacin de cargas verticales y horizontales. Para evitar una pronta incursin en el rango de comportamiento inelstico, los elementos estructurales deben poseer la resistencia suficiente como para soportar las acciones internas (momentos, cortes, axiales) que se generan durante la respuesta dinmica del edificio. Ms adelante se vern diferentes niveles de resistencia que es necesario distinguir para las diferentes etapas del proceso de diseo. El nivel de resistencia mnimo que debe tener la estructura se indica en la Fig. 1.3 con Si, resistencia ideal (ms adelante, la designaremos como resistencia nominal), que se corresponde con la que se toma o designa como resistencia de fluencia. El valor de la resistencia por encima de Si se llama sobre-resistencia y se designa con So. El estimar este valor de So durante el proceso de diseo, tal cual se ver luego, tiene mucha importancia para poder aplicar el diseo por capacidad. I.4.2.3 Ductilidad. Para asegurar que el edificio quede en pie despus de un gran sismo, su estructura debe ser capaz de sobrellevar grandes deformaciones sin que su resistencia se vea seriamente afectada. Los desplazamientos a que se vera sometido el edificio pueden estar bastante ms all del que corresponde a la fluencia, y que marcara en nuestro modelo el lmite de comportamiento elstico. La habilidad de la estructura para ofrecer resistencia en el rango no lineal de la respuesta se denomina ductilidad. Esta implica sostener grandes deformaciones y capacidad para absorber y disipar energa ante reversin de cargas y/o desplazamientos (comportamiento histertico) por lo que representa, para muchos autores, la propiedad ms importante que el diseador debe proveer al edificio que se vaya a construir en una zona de alto riesgo ssmico. El lmite de la ductilidad de desplazamientos disponible, indicado en la Fig.1.3 por el desplazamiento ltimo u, generalmente se asocia a un lmite especificado de

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degradacin de resistencia. Aunque muchas veces se relaciona este punto con la falla de la estructura, en la mayora de los casos se suele poseer una reserva de capacidad para sostener deformaciones inelsticas adicionales sin llegar al colapso estructural. Las deformaciones permanentes podran ser significativas lo que llevara a considerar al edificio totalmente fuera de servicio. Tal situacin se muestra a continuacin (ver esquema Fig.1.2). En la Fig. 1.3 se puede contrastar una falla dctil contra tipos de falla frgil, las que se representan con lneas de trazo descendentes. Fallas frgiles (brittle) implican prdidas completas de la resistencia. En el hormign armado implican gen