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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.