CONCRETO ARMADO 1

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1 Instituto de Mecnica Estructural y Riesgo Ssmico HORMIGN Iunidad 1: FILOSOFA DEL DISEO PARA ESTRUCTURAS DE HORMIGN ARMADO. 2 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. FilenameEmisinRevisin 1 Revisin 2 Revisin 3 Revisin 4Observaciones T1-diseo-introduccin.doc JULIO2001 JULIO2002 Febrero 2006 Abril 2007 julio 2008 Pginas4043444418 3 I.1 PARMETROS DE COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL. I.1.1. EDIFICIO. ACCIN vs. DEFORMACIN. CURVA DE RESPUESTA.Lacuantificacindelarespuestaestructuralentrminosdeparmetros distintivosqueladefinen,sepuedehacertantoenreferenciaacargasgravitatorias comoahorizontales,enformaaisladaocombinada.Seoptarpordefinirlos parmetrosderespuestaenfuncindeunacurvaquerepresenteelmodelode comportamientobajolasaccionescombinadas.LaFig.1.1muestraenforma esquemticaeledificioenestudiosometidoalaaccindecargasgravitatoriasy horizontales. Para hacer el modelo de respuesta, se supone que las cargas verticales, provenientesdepesopropioysobrecargasdeuso,permanecenconstantesylas horizontales, debidas a la accin ssmica, se incrementan desde cero hasta provocar la fallacompletadeledificio.Hayquedistinguirentrerespuestaglobaldeledificio, 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. 1.3.Respuesta Global. Identificacin del Comportamiento a varios Niveles. Fig. 1.2.Respuesta Global. Comportamiento Lineal y No Lineal. 4 Paraambostiposderespuesta,globalylocal,seutilizaunarepresentacinen ordenadas de la variable esttica (asociada a equilibrio, fuerza, momento) y en abscisa delavariablecinemtica(asociadaacompatibilidad,porejemplodesplazamientos, deformaciones,rotaciones,etc.),yloquelasvinculaesalgntipodeleyconstitutiva. En los captulos siguientes se trabajar con respuestas locales, como lo son momento vs.rotacin,momentovs.curvatura,cortevs.distorsin,paraloselementosysus secciones y con tensin vs. deformacin para los materiales. Paralarespuestaglobal,enelcasodeunedificiodevariospisos,lousuales representarcortantetotaldeledificiovs.desplazamientodelaltimalosa.Sesupone entoncesquelascargasverticalesnovaranyqueeledificioesempujadoporlas fuerzashorizontalesquecrecendesdeceroenformaesttica,monotnicay proporcional.Estticaporqueseaplicanlentamente(nogenerafuerzasdeinercia asociadasaaceleraciones),monotnicaporquevansiempreenelmismosentido(no hayreversin)yproporcionalimplicaquetodaslascargashorizontalesaumentanen 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.Enestecasoservirparaclarificarlosconceptosderigidez,resistenciay 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 accindesaparece,sevequeenelprimercaso,noquedanprcticamente deformacionespermanentes,mientrasqueenelsegundo,laverticalidaddeledificio, dependiendo del grado de incursin inelstica, se ha afectado. LaFig.1.3muestravariascurvas,algunasidentificadascomorespuesta observada(observedresponse)yotraslasimplificacindelasmismas(idealized responses).Larespuestaobservadaorealseralaqueresultade,porejemplo,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 partirdeprocedimientosanalticos,medianteunaadecuadamodelacindelas acciones y el edificio. Las curvas idealizadas o simplificadas son las que permiten, por ejemplo,definirhitosqueseparancaractersticasdelarespuestaeidentificanlos estadoslmites.Enelejedeordenadassehacolocadodirectamentelavariable 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. Esteparmetrorelacionadirectamente,porejemploenestecaso,lasfuerzas conlosdesplazamientos,ysirveprincipalmenteparaverificarelestadolmitede servicio.Enlarigidezglobalintervienenlosmdulosdeelasticidaddelosmateriales, lascaractersticasgeomtricasdeloselementosestructuralesylatopologa (distribucin y conexiones de los elementos) de la estructura en su conjunto. No debe olvidarsedequelaestructuranoesalgoplanosinotridimensional.Enelcasode estructurasdehormignarmadoydemampostera,laevaluacindelarigidezcon ciertogradodeprecisinnoestansimple,comolopodraserpara,porejemplo,una estructura metlica. Los fenmenos de fisuracin, deformacin diferida y la evaluacin delacontribucinentraccindelhormignylosmampuestossuelepresentar 5 bastantesincertidumbres.Estosproblemasseenfrentarnmsadelante.SienlaFig. 1.3setomacomorepresentativacualquieradelasdoscurvasbilineales,ysedefine como y el desplazamiento que corresponde a la fluencia de la estructura, y que est asociadoaunaresistenciaSy,entonceslapendientededicharespuestaidealizada como lineal y elstica y dada por K= Sy/y es utilizada para cuantificar la rigidez inicial global del edificio en la direccin analizada. Muchassonlasdiscusionesquesehangeneradoparadefinirelpuntode fluencia.Noesobjetoentrarahoraendetallesobrelosdistintoscriterios,sino simplementemencionarqueenlaref.[2]setomaelconceptoderigidezsecante refirindolaalvalorde0.75Si,dondeconSiserepresentalaresistenciaidealode fluencia de la estructura. AlvalordeKresultanteselollamarigidezefectivaysersteelquenos interesecuandoseverifiquencondicionesdeestadolmitedeservicio.Unadelas condicionesmscomunesaverificaresladedesplazamientosrelativosentrepisos, quedebenpermanecerdentrodeciertosvalores,aloscualeslosreglamentos modernos de diseo imponen lmites. I.1.2.2 Resistencia. Laresistenciadeunaestructuraestdadaporlamximacarga,generalmente expresadaatravsdelesfuerzodecorteenlabase,questapuedesoportarbajola combinacin de cargas verticales y horizontales. Paraevitarunaprontaincursinenelrangodecomportamientoinelstico,los elementosestructuralesdebenposeerlaresistenciasuficientecomoparasoportarlas accionesinternas(momentos,cortes,axiales)quesegenerandurantelarespuesta dinmicadeledificio.Msadelanteseverndiferentesnivelesderesistenciaquees necesario distinguir para las diferentes etapas del proceso de diseo. ElnivelderesistenciamnimoquedebetenerlaestructuraseindicaenlaFig. 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 delaresistenciaporencimadeSisellamasobre-resistenciaysedesignaconSo.El estimarestevalordeSoduranteelprocesodediseo,talcualseverluego,tiene mucha importancia para poder aplicar el diseo por capacidad. I.4.2.3 Ductilidad. Paraasegurarqueeledificioquedeenpiedespusdeungransismo,su estructura debe ser capaz de sobrellevar grandes deformaciones sin que su resistencia seveaseriamenteafectada.Losdesplazamientosaqueseverasometidoeledificio puedenestarbastantemsalldelquecorrespondealafluencia,yquemarcaraen nuestro modelo el lmite de comportamiento elstico. La habilidad de la estructura para ofrecerresistenciaenelrangonolinealdelarespuestasedenominaductilidad.Esta implicasostenergrandesdeformacionesycapacidadparaabsorberydisiparenerga antereversindecargasy/odesplazamientos(comportamientohistertico)porloque 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. Ellmitedelaductilidaddedesplazamientosdisponible,indicadoenlaFig.1.3 poreldesplazamientoltimou,generalmenteseasociaaunlmiteespecificadode 6 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 parasostenerdeformacionesinelsticasadicionalessinllegaralcolapsoestructural. Lasdeformacionespermanentespodransersignificativasloquellevaraaconsiderar aledificiototalmentefueradeservicio.Talsituacinsemuestraacontinuacin(ver esquema Fig.1.2). En la Fig. 1.3 se puede contrastar una falla dctil contra tipos de falla frgil, las queserepresentanconlneasdetrazodescendentes.Fallasfrgiles(brittle)implican prdidascompletasdelaresistencia.Enelhormignarmadoimplicangeneralmente desintegracindelhormign,ysobrevienensinningntipodeaviso.Porrazones obvias,estetipodecomportamientodebeserevitadoyeselquehacausadola mayoradeloscolapsosduranteterremotos,siendoresponsableporlotantodelas prdidas de vidas. Laductilidadsecuantificaatravsdelfactordeductilidad,generalmente designado con , y definido como la relacin entre el desplazamiento total impuesto en cualquier instante y el que corresponde al inicio de fluencia, que se design como y, es decir: = / y(1.1) Engeneral,lasvariablescinemticaspuedenrepresentardesplazamientos, rotaciones,curvaturas,deformacionesespecficas,etc.,yporlotantorepresentan gradosdecomportamientoinelsticoanivelglobalolocal.Enrespuestaglobal,lo importante es que se verifique que la mxima demanda de ductilidad estimada durante el sismo m = m / y no supere la mxima ductilidad potencial disponible u = u / y. De todas manera