Capítulo 18 Estructuras sismo resistentes -...

Curso Diseño en Hormigón Armado según ACI 318- 14

SANTIAGO 27 y 29 Octubre 2015

Clase: Diseño de Muros y Dinteles de Acoplamiento

Relator: Leonardo Massone, Universidad de Chile

WWW.CONCRETE.ORG/ACI318

Capítulo 18 – Estructuras sismo resistentes

Sistemas ordinarios (Mínimo para CDS B)

• Vigas

• Columnas

Sistemas intermedios (Mínimo para CDS C)

• Vigas

• Columnas

• Nudos viga-columna

• Losas en dos direcciones

• Muros estructurales prefabricados

Sistemas especiales (CDS D, E, F)

• Vigas

• Columnas

• Nudos viga-columna

• Pórticos a momento de concreto prefabricado

• Diafragmas y cerchas

• Miembros que no hacen parte del sistema de resistencia ante fuerzas sísmicas

• Muros estructurales

Viña del Mar, 2010

¿Cómo diseñar?

• ¿Muro T o muro rectangular?

• ¿Bastará un buen detallamiento?. ¿Qué es un buen detallamiento?

• ¿Qué/Cuánto es daño aceptable?

• ¿Cómo limito el daño?

• Carga axial, discontinuidades.. ¿Dónde aparecen en el diseño?

4

Fundamentos de los cambios de la norma Chilena

5

Muros

Gran nivel de compresión en muros

Discontinuidades: 1er piso o subterráneo

Formación de muros en T

Sin confinamiento en borde de muros

Planta 1er piso o subterráneo

Bo

de

ga

s –

Bo

rde

Ed

fi.

esta

cio

na

mie

nto

s

da

ño

s

Santiago, 2010

Nuevo decreto

NCh 430.Of2008

DS 118 (25 Febrero 2011)

DS 60 reemplaza DS 118 (13 Diciembre 2011)

Código base: ACI 318S-08

Disposiciones para Muros especiales Muros ordinarios – R, Ro≤4 hasta 5 pisos

Refuerzo en elemento especial de borde: db_long ≤ 1/9*h_elem.Borde (min)

Ej. dl ≤ 1/9*200=22mm

db_estribo ≥ 1/3*db_long (general)

Ej. de ≥ 1/3*36=12mm

Nuevo decreto

Estribos y trabas suplementarias

con doblez ≥ 135º

Verificar estabilidad si: tw < lu/16

Grieta “abierta” reduce la

estabilidad

Al limitar la carga axial se relajó el

requerimiento

Ej. t<3000/16=188mm

Flexo-compresión en muros

1. Evitar falla frágil por flexo-compresión

Confinamiento si ec>0.003 (similar a ACI 318)

Confinamiento adecuado - espesor >300mm y largo mínimo

“c” incorpora efecto asimetría

2. Limitar daño flexo-compresión (ec≤0.008) Limitación directa e indirecta de carga axial

Daño menor en edificios antiguos (menor carga axial)

“c” incorpora efecto asimetría

3. Minimizar pandeo/fractura por tracción-compresión en barras Uso de trabas si cuantía armadura long. > 2.8/fy (zona

basado sólo en cuantía ≠ Cc)

Diseño sísmico

• Muros Estructurales

Especiales – 18.10

– Gran rigidez a cargas laterales

(en el plano)

– Puede ofrecer gran ductilidad

(correctamente diseñado).

Detallamiento enfocado a

muros esbeltos.

– Diseño en flexión, evitando falla

por corte (diseño por

capacidad)

– Configuraciones comunes:

• Edificio de muros

• Edificio de muros y marcos

(muros en cajas de escaleras y

ascensores)

2010 Santiago

Diseño sísmico

• Muros

– Ej. Edificio de muros (vista de

pisos superiores)

– Diversas geometrías de muros

Muros - Diseño sísmico

• Distribución de Momento en la altura del muro

(vigas rígidas y flexibles) Columna: 600x600

Muro: 2000x300

Viga rígida Viga flexible

colu

mna

colu

mna

muro


• Diseño a flexión

– Ancho colaborante de alas

• Usa un valor relativamente alto (a

diferencia de otras normas, ej: 0.1hw,

UBC-94) para aumentar las posibles

exigencias de detallamiento

hw

bef

0.25hw

hw=144 in

b = 48 in

Thomsen & Wallace, 2004



– Hipótesis de Bernoulli: “secciones planas permanecen

planas” puede ser usada (S.18.10.5, 22.2)

Orakcal et al., 2006



– Diagrama de interacción

• Consideración de carga axial más desfavorable (para fuerzas

puede ser distinto que para deformaciones)

f (ACI 318-14)

varía en función de es

a = 0.80 estribos

a = 0.85 espirales S.22.4.2

(2014)


• Diseño al corte

– Capacidad al corte

• Limitaciones a la capacidad de corte

'n cv c c t yV A f fa

Acv

hw

lw

t = cuantía dist. de

refuerzo horizontal

l = cuantía dist. de

refuerzo vertical

0.66 ' (serie de machones)

0.83 ' (machón individual

o muro horizontal)

cv c

n

cw c

A fV

A f

Acw

hw/ℓw

αc

0.25

0.17

1.5 2.0

1 2 3

Acv muro = Acw1+Acw2+Acw3

Acw2

Segmentos verticales de muro


• Requisitos del refuerzo

– Cuantía mínima de armadura

– Espaciamiento

– Número de cortinas

– Requerimientos especiales de armadura vertical

– Longitud de desarrollo (ld)

• Según S.25.5

• Considerando una extensión d ~ 0.8lw (desde el corte teórico)

• Debe considerarse un aumento del 25% en la longitud de

desarrollo en zonas probables de fluencia

w wsi h l 2.0 l t

hw

lw


refuerzo horizontal


refuerzo vertical

,max

u

0.083 ' 10% .11.6si V

0.083 ' , 0.0025

cv c n

cv c l t

A f V S

A f

s 450mm

usi V 0.17 ' ó 2 usar 2 cortinas (capas)cv c w wA f h l

permite reducción de

cuantía dist. de refuerzo


• Diseño al corte

– Fuerza de corte

• Vu debe considerarse del análisis.

• Sin embargo, S.21.2.4.1 requiere del uso de un factor f=0.6

si la resistencia nominal de corte es menor que el corte

producto de alcanzar la resistencia nominal a flexión

(también es válido para marcos especiales).

• Se debería considerar Vu del diseño por capacidad (similar a

vigas y columnas), es decir, la fuerza de corte esperada

luego de una falla por flexión en zonas donde pueda ocurrir

fluencia de la armadura de flexión (ej.: aberturas)


• Detallamiento de armadura de confinamiento de borde

– Deformaciones

dy

211

40 2

p

u y w u y p w

lh l hd f f f

u p w u p wh l hd f



– Deformaciones

Modelo simplificado

lp=lw/2

Considerando que se sobrepasa la

deformación unitaria de compresión

del hormigón de 0.003 (supone la

misma profundidad de línea neutra)

Zona de hormigón con deformación

de compresión mayor a ecl =0.003

2

cu wu p w u p w w

lh l h h

c

ed f

2 ucu

w w

c

h l

de

" 1 cl

cu

c ce

e

" 2cl

w w u w

c c

l l h

e

d



– ¿Cuándo es necesario el confinamiento de la armadura de

borde y hasta qué profundidad de la sección transversal?

• 1.5du considera amortiguamiento 2% en vez de 5% y valor

envolvente de du en vez de valor medio (la estimación es 2)

→ Se debe considerar

confinamiento en caso

que se supere el 0.003

S.18.10.6.2 0.005u

wh

d

valores esperados de deformaciones

du/hw=0.015 (Wallace & Moehle, 1992)

“Diseño basado en desplazamiento”

0.003 1

2 2 667 .6 500 1

cl w w w w

u w u w u w u w

l l l lc

h h h h

e

d d d d

" 10.1

667 0.015 2w w u w w w

c c c c

l l h l ld

2w

w

h

l



– ¿Cómo considero otros elementos, por ejemplo, muros no

esbeltos?

"

0.12w w w

c c c

l l l

→ Se debe considerar confinamiento en

caso que se supere el 0.2f’c S.18.10.6.3

→ Diseño basado en tensiones en vez de desplazamiento

u uc

g g

M y Pf

I A

Mu

Pu

fc

0.2 ' requiere elemento de bordec cf f

Se sigue requiriendo

confinamiento dentro

de la zona transversal

dada por c”

Consideraciones:

-Modelo lineal y elástico

-Cargas mayoradas

-Sección bruta (Ig, Ag)



– Requerimientos nuevos (ACI 318-14)

• Pandeo global (esbeltez)

• Muros esbeltos (hw/lw≥2) con gran compresión (c/lw≥3/8) – no

controlados por tracción

• Confinamiento y pandeo barras

– Barra long. alterna apoyada, separación libre ≤ 150mm

– Dimensión mínima de estribo o rama (10 ó 12mm)

dentro c"16

uhb hu = Altura libre (lado comprimido)

dentro c" 300mmb

350mm2 3bx

borde

h



– Requerimientos nuevos (ACI 318-14)

• Confinamiento y pandeo barras

• Cuantía de refuerzo transversal

1

mi3

n b, hs

350100 150mm

3 100mm

xo

hs s

6 bs d

Ach = (borde exterior

Al igual que bc)

Evitar muros delgados

con poco confinamiento


• Detallamiento de armadura de

confinamiento de borde – Anclar refuerzo horizontal dentro del núcleo

confinado (llegar a 150mm borde con ld)

– Si Avfy/s<Ashfy/s → se puede usar barra recta



– ¿Qué pasa cuando no se requiere detallamiento especial?

• Si la cuantía de borde es mayor a 2.8/fy, cumplir con:

– Barra long. alterna apoyada, separación libre ≤ 150mm

– Dimensión mínima de estribo o rama (10 ó 12mm)

– Dentro de c”

– Espaciamiento

350mmxh

"

0.12w w w

c c c

l l l

8 6 ó

200mm 150mmb bd d

s s

4

w

u u

ll

M V

Dentro de l



Diseño sísmico

• Vigas de acoplamiento – 18.10.7 – Esbeltas

• Cumplir 18.6 (vigas)

• No es necesario cumplir (demostrando estabilidad)

– Intermedias

• Se permite el uso de barras diagonales, o armadura de vigas

– Cortas

• Deben reforzarse con el uso de barras diagonales (salvo que a pesar de la pérdida de rigidez y resistencia, se mantenga la integridad)

4nl h

ln

h h

b

4nl h

2 y 0.33 'n u c cwl h V f A

0.3min

250mmh

b

largo columna (cada lado) 2 1min(c ,0.75c )sobreb

Naish et al., 2009 UCLA report

Diseño sísmico

2 0.83 'n vd y c cwV A f sen f Aa

'0.3 1

g csh c

ch yt

A fA b s

A f

'0.09 c

sh c

yt

fA b s

f

350100 150mm

3 100mm

xo

hs s

6 bs d

350mmxh

• Vigas de acoplamiento – Cada diagonal ≥ 4 barra

– ld, en muro ≥ 1.25ld (sobre-resistencia)

Sol. 1 (ACI 318-05):

– Diagonal ≥ bw/5 (alto) por bw/2 (ancho) (borde ext. estribos)

– Estribo cerrado

– Cuantía de confinamiento (Ag asume rec. estándar)

– Espaciamiento en diagonal

– Refuerzo superficie similar a viga alta

Av≥0.002bws (long. y transv.)

s≤ 300mm

Diseño sísmico • Vigas de acoplamiento

Sol. 2 (ACI 318-08):

– Estribo cerrado

– Cuantía de confinamiento (Ag asume rec. estándar)

– Espaciamiento (en superficie viga)

– Estribos o ganchos apoyados en barras longitudinales (igual o mayor diámetro que estribos/ganchos)

'0.3 1

g csh c

ch yt

A fA b s

A f

'0.09 c

sh c

yt

fA b s

f

6150mm

bds

200mm (vertical y horizontal)xh

(confinamiento en

superficie viga)

Naish et al., 2009 UCLA report

Ln/h=2.4

CB24F

Diseño sísmico

• Machones de muro (del ACI 318-11) – 18.10.8 – Machón de muro: ℓw/bw ≤ 6 y hw/ℓw ≥ 2 (S.2)

– En machones al borde de muros, se requiere refuerzo adicional (arriba y abajo) para transmitir el corte del machón

– Los machones deben cumplir los mismos requisitos de columnas de marcos especiales, salvo por el requisito de geometría y condición de columna-fuerte viga-débil (existe alternativa para lw/bw>2.5)

Diseño sísmico

• Machones de muro – 18.10.8 – Alternativamente, si lw/bw>2.5 (cont):

• Diseño por capacidad

• Requisito de corte en muros

• Estribos cerrados

• Refuerzo horizontal en 1 rama permitido, si termina en 180° (tomando refuerzo long.)

• Espaciamiento

• Diseño por tensiones (elemento de borde)

– El diseño se debe extender hasta:

150mm (extendido al menos 300mm por arriba y abajo del machón)s

0.2 ' requiere elemento de bordeu uc c

g g

M y Pf f

I A

tal que 0.15 'c cl f f

0.17 a 0.25ca

'n cv c c t yV A f fa

0.66 ' (serie de machones)

0.83 ' (machón individual

o muro horizontal)

cv c

n

cw c

A fV

A f

Investigación

35

Muro 7

• H-30

• A630-420H

• Categoría Edificio : C

• Importancia : 1

• Zona Sísmica : 2

• Tipo Suelo : II

• Ro : 11

• R : 7

• Ao [g] : 0.3

• Estructura de 18 pisos + 2 subterráneos.

• H = 48.5 [m] (desde subterráneo 1).

(previo al DS 61)

Planta cielo Subterráneo 1 EDIFICIO 4

Muro 7 – Confinamiento

2

2

2

11 20.275

40

2 0.00210.275 4850 50

538

y y

y

w

HH

l

cm

f ed

?

Muro 7 – Confinamiento

538 cm

745 cm

613 cm

222

11 2 2 0.00210.275 0.275 4850 50

40 538

y y

y

w

HH cm

l

f ed

222

11 2 2 0.00210.275 0.275 4850 36

40 745

y y

y

w

HH cm

l

f ed

Solo mirando la geometría

Otros factores (por ver)… y aún faltan!

2 2

2

2 1.610.275 0.22

1.61 0.00210.22 4850 23

745

y y

y

w w

H Hl l

cm

e ed

Sritharan et al., 2014 (Christchurch, 2011) Dazio et al. (2009)

Tests Building

Low steel ratio

Low steel ratio

Discontinuidades

40

2 de Noviembre de 2015

Matías Ahumada Castroman

41

0. PRESENTACIÓN.

1. INTRODUCCIÓN.

2. MODELACIÓN.

3. VALIDACIÓN.

5. MUROS BANDERA.

6. MUROS CON ABERTURA CENTRAL

4. EFECTO DEL CORTE

𝑙𝑤

ℎ𝑤

𝑙𝑤

ℎ𝑤

Muro con abertura Muro bandera

ℎ𝑤𝑙𝑤

≥ 3

MUROS CON ABERTURA

Massone & Rojas 2012

0

5000

10000

15000

-1.5E-05 0.0E+00 1.5E-05

Alt

ura

(m

m)

Curvatura (1/mm)

0.25%1.25%

2.5%

Wall Setback (Flag-wall)

42

h/l= 5

0

5000

10000

15000

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

Alt

ura

en

pla

stif

icac

ión

[m

m]

Drift [%]

Rectangular.

Perforado

Cambio de sección

Ahumada (2014?)

Hei

ght

(mm

)

Curvature (1/mm)

Hei

ght

to y

ield

ing

(mm

)

Rectangular

With setback

Section change

0

5000

10000

15000

-1.0E-05 0.0E+00 1.0E-05

Alt

ura

(m

m)

Curvatura (1/mm)

0.25%1.25%

2.5%

Wall Setback (Flag-wall)

43

h/l= 12,5

0

5000

10000

15000

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5A

ltu

ra e

n p

last

ific

ació

n [

mm

]

Drift [%]

Rectangular.

Perforado

Cambio de sección

Ahumada (2014?)

Hei

ght

(mm

)

Curvature (1/mm)

Hei

ght

to y

ield

ing

(mm

)

Rectangular

With setback

Section change

Ensayo Elementos de Borde

44

Boundary element (Polanco, 2013; Herrera, 2013)

45

Failure mode

Bo

un

dar

y e

lem

en

t

Test Setup

46

External LVDTs

Internal LVDTs

Failure Mode

47

(a)

(b)

(c)

Damaged

Zone

Unloading

Zone

Unloading

Zone

Pre-tension

48

Test results: - Strength degradation with

tension - Slenderness effect not relevant

Model results: - Steel (buckling): Massone and Moroder (2009) - Concrete: Chang and Mander (1994),

Legeron and Paultre (2003)

Test Model

Pre-tension

49

Test Model

fc,cover

ec

Pre-tension

50

Test Model

Qué falta?

Amplificación dinámica de corte

Ancho efectivo en muros

Amortiguamiento

Acoplamiento en rango inelástico

…..

gatech.edu

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