patricio_bonelli

Decretos 2010. Modificaciones a NCh433Of.96mod2009 y a ACI318-08

Patricio Bonelli José Restrepo

Universidad Técnica Federico Santa María Valparaíso - Chile

Temas: La demanda Modificaciones a NCh433Of.96mod2009. 1 Clasificación de suelos 2 Modelos de análisis 3 Cálculo del desplazamiento lateral, afecta separación entre edificios. 4 Espectros de diseño.

Temas: La capacidad Disposiciones para muros, modificaciones al ACI3118-08. 1 Alcance 2 Disposiciones Generales 3 Disposiciones Específicas para Muros Estructurales Especiales. 4 Refuerzo Transversal en Muros 4.1 Refuerzo Transversal en el Alma 4.2 Refuerzo Transversal en Empalmes por Traslapo 5 Elementos de borde para muros estructurales especiales de concreto reforzado.

Introducción

El terremoto del 27 de febrero de 2010 ha detectado dos falencias en nuestra ingeniería:

1.- Los muros de hormigón armado no son capaces de sostener en sus bases rotaciones mayores que 0.007 a 0.01 con los espesores que se están usando y la falta de refuerzo transversal. Es urgente cambiar esta práctica de manera de asegurar rotaciones últimas cercanas a 0.002, que para fines de diseño y considerando las características de nuestros terremotos parece ser un valor razonable.

Correcciones: 1.1.- Evitar la desintegración de los bordes. -Ausencia de refuerzo transversal Agregar refuerzo transversal en bordes - Concentración del refuerzo vertical en el borde, barras longitudinales de gran diámetro en espesores de muro muy pequeños Limitar el espesor de muros, agrandarlos! Limitar el diámetro del refuerzo longitudinal -deslizamiento de los empalmes Agregar refuerzo transversal

Introducción

Correcciones: 2.- Evitar la falla al corte. Se ha detectado: -el corte proveniente del análisis subestima las demandas de corte, se requiere aumentar la resistencia al corte o disminuir la resistencia a la flexión

Introducción

Correcciones: 1.- Aumentar la resistencia al corte.

-calcularla demanda de corte mediante las técnicas del diseño por capacidad proveniente - amplificar el corte proveniente del análisis de manera de aumentar la resistencia al corte sin aumentar la resistencia a la flexión

Introducción

Las plantas de los edificios dañados son muy parecidas

Introducción 2.- Las demandas de desplazamientos del último terremoto supera los valores esperados, de acuerdo a la experiencia del terremoto del 3 de marzo de 1985, único terremoto fuerte registrado en zona epicentral. Es necesario corregir el valor de desplazamiento calculado para nuestros edificios, especialmente en suelos blandos, tanto en la costa como en la zona central.

Concepción S75W SEMI – SYNTHETIC WITH LOW FREQUENCY

Introduction

Design Approach

Ground Motion

Case Studies

Concepción S75W with Low Frequency 0.6 0.5 0.4

Acceleration [g]

0.3 0.2 0.1 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

60

70

80

90

-0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5 50

Time [s]

0 0

10

20

30

40

50

Displacement [cm]

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

Time [s]

Conclusion

Design Approach

Ground Motion

Case Studies

Pseudo-acceleration Response Spectra Concepción S75W w/o LF - Elastic Pseudo-spectral Acceleration [g]

2.0

z = 2%

1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0

2

4

6

8

10

Concepción S75W w/[s] LF - Elastic Period 2.0

Pseudo-spectral Acceleration [g]

Introduction

z = 2%

1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0

2

4

6

Period [s]

8

10

Conclusion

Design Approach

Ground Motion

Case Studies

Displacement Response Spectra Concepción S75W w/o LF - Elastic Spectral Displacement (m)

1.6

z = 2%

1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0

2

4

6

8

10

Periodw/ [s] LF - Elastic Concepción S75W 1.6

Spectral Displacement (m)

Introduction

z = 2%

1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0

2

4

6

Period [s]

8

10

Conclusion

Design Approach

Introduction

Ground Motion

Case Studies

Conclusion

Iso-Ductility Displacement Response Spectra ∆ µ= ∆y

D

Sd = |∆max , - ∆min | M

Dy Ko

Ko

1 1

20

40

60

r Ko

1

80

Positive r

Negative r

1

r Ko

Design Approach

Introduction

Ground Motion

Case Studies

Displacement Response Spectra ( m = 3, z = 2%) 1.75 Elastic

1.50

Displacement (m)

r = 2.5%

1.25

r=0

1.00 0.75 0.50 0.25 0.00 0

0.5

1

1.5

Period (sec)

2

2.5

3

Conclusion

Design Approach

Introduction

Ground Motion

Case Studies

Displacement Response Spectra ( m = 3, z = 2%) 1.75

Elastic r = 2.5%

Displacement (m)

1.50

r=0 r = -2.5%

1.25

r = -5%

1.00 0.75 0.50 0.25 0.00 0

0.5

1

1.5

Period (sec)

2

2.5

3

Conclusion

Con endurecimiento

Desplazamiento [m]

.

Desplazamiento de Techo Concepción NS 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 -0.10 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

-0.20 -0.30 -0.40 t [s]

Corte Piso 2 MuroT1 [Tf] 300 250 200 150 100 50 0 -50 0 -100 -150

10

20

30

40

50

t [s]

60

70

80

90

Degradación de resistencia, r=-0.025 y efecto P Delta

Desplazamiento [m]

.

Desplazamiento de Techo Concepción NS r= -2.5% 0.50 0.00 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

80

90

-0.50 -1.00 -1.50 -2.00 t [s]

Corte [Tf] Piso 2 MuroT1Concepción NS r= -2.5% 300 250 200 150 100 50 0 -50 0 -100 -150

10

20

30

40

50

t [s]

60

70

Degradación de resistencia, r=-0.025 Fuerza Axial [Tf] Piso 2 Muro T1 Concepción NS r=-2.5% 0 -200

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

-400 -600 -800 -1000 -1200 t [s]

Momento Curvatura Muro T1 Piso 2 t:[0;90]s Conce NS r=-2.5%

.

2000.00

Momento [T*m]

2500.00

1500.00 1000.00 500.00 0.00 -1.40E- -1.20E- -1.00E- -8.00E- -6.00E- -4.00E- -2.00E0.00E+ 2.00E- 4.00E- 6.00E-500.00 03 03 03 04 04 04 04 00 04 04 04 -1000.00 Curvatura [1/m]

Fuerza Axial [Tf] Piso 2 Muro T1 San Pedro Z 1000 500 0 -500

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

-1000 -1500 -2000 t [s]

500 toneladas en tracción y 1500 ton en compresión.

Envolvente de Corte en la altura de muro “T”

”

edificio de 16 pisos

Deslizamientos de empalmes por traslapo

Desplazamientos laterales Resultados análisis dinámico no lineal, histéresis Takeda, amortiguamiento 2%, con endurecimiento permanente. Registro

Desp. De Techo [m]

Rotación

Concepción NS

0.390

0.012

Concepción EW

0.419

0.013

San Pedro de la Paz X

0.210

0.006

San Pedro de la Paz Y Viña del Mar 27-02-2010 NS Viña del Mar 27-02-2010 EW

0.195

0.006

0.116

0.003

0.143

0.004

México 1985

0.320

0.010

Llolleo 1985

0.208

0.006

Consecuencias: se modficaron los espectros elásticos de diseño de manera de obtener desplazamientos similares a los ocurridos en terremotos pasados. • Hay un alto contenido de bajas frecuencias en suelos blandos

Introduction

Design Approach

Ground Motion

Case Studies

Conclusion

Design Approach in Chile • • •

Modal Response Spectrum Analysis Design spectra is rich in high frequency content representing knowledge gained from recordings of large-magnitude subduction Pacific earthquakes in South America Except in the design of base-isolated structures, the displacement demand had been somewhat de-emphasized

Introduction

Design Approach

Ground Motion

Case Studies

Design Approach in Chile

Conclusion

Introduction

Design Approach

Ground Motion

Case Studies

Design Approach in Chile

Conclusion

Introduction

Design Approach

Ground Motion

Case Studies

Design Approach in Chile

Conclusion

Disposiciones para muros. 1 Definiciones

h,

2 Espesor mínimo de muros

Confinamiento de bordes Relación momento curvatura

Criterio de Diseño por Resistencia Última

ε c = 0.003 ó 0.004

c

P

M

hc

Criterio de Diseño para Lograr cierta Rotación Plástica Pérdida del recubrimiento Acción de arco vertical & horizontal

ε cu

εc

εc El recubrimiento se pierde donde εcu es mayor que 0.004. Para lograr Φu es necesario refuerzo transversal que confine el hormigón en el núcleo para que logre alcanzar εcu y que evite el pandeo de las barras longitudinales.

P

M

φu

Concepto de Rótula Plástica Equivalente 2.5

Distance from column base / D

2 D = 914 mm

1.5

Actual curvature distribution

1

Idealized distribution

0.5

Lp

lp

( Equivalent plastic hinge length)

0 0

φy

0.025

0.05

φ

x

D Ф

φ y + 0.075 φp

0.1

2 Espesor mínimo de muros efecto de la separación de las armaduras de confinamiento

2 Espesor mínimo de muros

2 Espesor mínimo de muros

Ensayos en la Universidad de California en Berkeley, Agosto 2010, Jack Moehle.

CONCENTRACIÓN DEL DAÑO

Ensayos en la Universidad de California en Berkeley, Agosto 2010, Jack Moehle.

CONCENTRACIÓN DEL DAÑO Sección transversal : 15 cm por 30 cm, largo 90 cm . Resistencia a la compresión del hormigón 40 MPa. Cuantía de refuerzo longitudinal : 3.5%. El refuerzo transversal de confinamiento satisface ACI 318 para elementos de borde de muros especiales.

Ensayos en la Universidad de California en Berkeley, Agosto 2010, Jack Moehle.

Bajo carga uniaxial en compresión, La Column a A resistió 300 toneladas

Ensayos en la Universidad de California en Berkeley, Agosto 2010, Jack Moehle.

CONCENTRACIÓN DEL DAÑO Sección transversal : 15 cm por 30 cm, largo 90 cm . Resistencia a la compresión del hormigón 40 MPa. Cuantía de refuerzo longitudinal : 3.5%. El refuerzo transversal de confinamiento satisface ACI 318 para elementos de borde de muros especiales. La Column B fue estirada a una alargamiento unitario igual a 0.04 antes de comprimirla monotónicamente 0.04 Para un desplazamiento del techo de 0.02 veces la altura de un muro, límite de un Código en USA, y una longitud de rótula plástica igual a lw / 2, con un curvatura : ε/lw , la rotación 0.02 = (ε/lw)(lw/2), da ε = 0.04.

Ensayos en la Universidad de California en Berkeley, Agosto 2010, Jack Moehle.

Tan pronto como se rompe el recubrimiento, la columna se pandea donde se reduce la sección transversal. Prácticamente no queda sección transversal en un muro delgado.

Ensayos en la Universidad de California en La Columna B resistió 60 toneladas Berkeley, Agosto 2010, Jack Moehle.

Ensayos en la Universidad de California en Berkeley, Agosto 2010, Jack Moehle.

3.2 Espesor mínimo de muros

se propone adoptar como espesor mínimo de muros el valor lu /16

5.5 Restricción al pandeo de las barras longitudinales.

5.5 Restricción al pandeo de las barras longitudinales Pandeo de una barra de refuerzo sometida a cargas cíclicas (sh/db = 6)

José Restrepo

5.5 Restricción al pandeo de las barras longitudinales Pandeo de una barra de refuerzo sometida a cargas cíclicas (sh/db = 9)

José Restrepo

Fractura de bajo ciclaje Pandeo en tracción!

José Restrepo

Fractura de bajo ciclaje Pandeo en tracción!

José Restrepo

Relación Momento-Curvatura Carga axial constante

Mo Momento, M

Mn

Si Cii Ciii Ec It

Siii Civ Sii

Cv o Siv

1

Mcr

0

Ci

Curvatura de fluencia inicial (la menor entre Si y Cii)

0

φ’y

Curvatura, φ

φu

Relación Momento-Curvatura Límites de Desempeño en el Refuerzo Longitudinal •

Sii) Deformación unitaria del 1% en la barra extrema a tracción

εs (+)

εs = 1%

(-)

•

Consecuencia: grietas residuales pueden alcanzar 0.8 mm de ancho

•

Acción requerida: considere inyectar las grietas, especialmente si el medio ambiente es agresivo

Relación Momento-Curvatura Límites de Desempeño en el Refuerzo Longitudinal •

Siii) Comienzo del pandeo si se ha perdido el recubrimiento

εc (+)

−φ

φ (-)

εs •

Consecuencia: ninguna, imperceptible, lo único que se nota es la pérdida del recubrimiento

•

Acción requerida: se necesita restaurar el recubrimento

sh 10 − db εs − εc ≥ 100 sh = espaciamiento de la armadura transversal db = diámetro de la barra longitudinal

Relación Momento-Curvatura Límites de Desempeño en el Refuerzo Longitudinal •

(+)

Siv) Fractura del refuerzo longitudinal si se ha perdido el recubrimiento

εc −φ

4 sh ε su 3db ≤ and ε c ≥ 0.004 100 2

14 −

φ εs − εc =

(-)

εs

•

Consecuencia: pérdida rápida de la resistencia a la flexión. Fin de la capacidad de rotación.

•

Acción requerida: reparaciones costosas, considere incluso la demolición del elemento

sh = espaciamiento de la armadura transversal db = diámetro de la barra longitudinal

Relación Momento-Curvatura Límites de Desempeño en el Refuerzo Longitudinal •

Siv) Fractura del refuerzo longitudinal luego del pandeo

Microgrieta

5.5 Restricción al pandeo de las barras longitudinales.

La restricción de no separar las armaduras transversales a más de seis veces el diámetro de la armadura que restringe tiene como finalidad retardar el pandeo, porque si la barra se pandea, destruye el hormigón que la rodea, que es incapaz de tomar tracciones.

5.5 Restricción al pandeo de las barras longitudinales.

Diseño por capacidad para concentrar la respuesta no lineal en una zona crítica.

Norma de Nueva Zelanda. Mecanismos posibles ante grandes desplazamientos para marcos especiales y Muros especiales, Park

Las secciones críticas, es decir, las secciones que fluyen, siempre alcanzan su capacidad resistente, cualquiera sea ella, o por lo menos, es lo que conviene supone al diseñar.

Disposiciones de otras normas para las armaduras transversales de borde en muros.

Tipos de Muros Estructurales

• Muros Estructurales Especiales Diseñados por Capacidad

– Las zonas críticas de los muros se detallan para alcanzar una rotación plástica de por lo menos 0.012 radianes

Disposiciones Generales

• El refuerzo transversal se especifica explícitamente para: – 4.1 Resistir corte en el alma del muro – 5.1 a 5.4 Confinar el hormigón en los bordes de los muros – 5.5 Arriostrar las barras longitudinales para prevenir su pandeo prematuro cuando estas se sometan a ciclos de deformaciones fuera del rango elástico – 4.2 Mejorar las condiciones de adherencia en empalmes por traslapo de barras longitudinales sometidas a ciclos de deformaciones fuera del rango elástico

Del estudio de varios edificios dañados se comprobó la fragilidad de las secciones T o L. También se encontraron diseños con altos niveles de carga axial y muros muy delgados. Se propuso modificar el ACI318 en lo relativo al diseño sísmico de muros,

2.1 En el diseño en flexo compresión se debe considerar la configuración espacial de la sección (secciones T, L, C, etc.) 2.2 Debe considerarse la contribución de toda la armadura del ala de la sección, 3.2 Se limita el espesor del muro a lu /16.

2.1 Disposiciones Generales • Se debe considerar la sección completa en el análisis de muros con sección transversal en T, L, C, etc. • En el cálculo de la resistencia a flexión y carga axial se debe incluir la contribución de todo el refuerzo como aparece en los planos

Marios Panagiotou, José I. Restrepo, UCSD, La Jolla, CA

Se intenta evitar el uso de muros muy comprimidos donde la ductilidad se logra gracias al acortamiento del hormigón, agregándose que: 3.1 No se permiten muros de hormigón con secciones controladas por compresión, definidas en §10.3.3 de ACI318-05. Esta condición debe verificarse considerando la carga axial mayorada correspondiente a la combinación que de la máxima carga axial.

Se intenta evitar el uso de muros muy comprimidos donde la ductilidad se logra gracias al acortamiento del hormigón, agregándose que: 3.1 No se permiten muros de hormigón armado que en cualquier sección tengan una deformación unitaria a tracción en la barra extrema debido a la flexión y a la carga axial igual o menor que 0.004 cuando la deformación unitaria a compresión del hormigón alcance 0.003.

Diseño por Cargas Axiales y de Flexión ε s ≤ 0.002

Compresión ε c = 0.003

0.005 > ε s > 0.002

Transición ε c = 0.003

ε s ≥ 0.005

Tracción ε c = 0.003

Disposiciones Generales Comportamiento Bajo Carga Axial y de Flexión Permitido para el Diseño de Muros

Transición Se logra alguna ductilidad confinando bien el hormigón y previniendo el pandeo prematuro del refuerzo longitudinal

0.004 < εs < 0.005

ε c = 0.003

Tracción Respuesta dúctil siempre que se prevenga el pandeo prematuro de las barras longitudinales bajo acciones cíclicas alternantes y confinando ligeramente el hormigón

ε c = 0.003

ε s ≥ 0.005

Para una rotación plástica Ѳp = 0.01 radianes Suponiendo una longitud de rótula plástica equivalente lp = lw / 2

ϕp =

θp lw

2

=

2θ p lw

, for θ p =0.01 radians ϕp =

Curvature at yield is ϕ y = 2

εy lw

=

0.02 lw

0.0042 (Grade 60 reinforcement) lw

Therefore, the curvature capacity ϕu must be no less than:

ϕu = ϕ y + ϕp =

0.0242 lw

Acortamiento último en el hormigón confinado para lograr un desplazamiento en el techo igual a 0.02 h

lw

Zona controlada por Compresión

c≥

ε s ≤ 0.002

For θ p = 0.01 radians

c≥

ϕu

3 lw 5 ε c = 0.003

3 lw 5

ε cu ≥ ϕu c =

0.0242 3 l w = 0.015 lw 5

(large to very large) ε c ≥ 0.015

Acortamiento último en el hormigón confinado para lograr un desplazamiento en el techo igual a 0.02 h Zona controlada por la Tracción

lw ε s ≥ 0.005

c≤ For θ p = 0.01 radians

c≤

ϕu

3 lw 8

ε cu ≤ ϕu c =

3 lw 8

ε c = 0.003

0.0242 3 l w = 0.0091 (low to moderate) lw 8 ε c ≤ 0.009

longitud a confinar secciones controladas por tracción

Para evitar el pandeo de las barras de borde, se propone agregar el siguiente artículo, 5.5 En secciones controladas por la tracción, se debe utilizar una cantidad nominal de armadura transversal que como mínimo debe estar constituida por estribos cerrados o amarras, espaciadas a no más de seis diámetros de la barra que restringen. La distancia horizontal entre barras verticales restringidas, hx, no debe ser mayor que h/2 ó 200 mm.

Ejemplo de refuerzo transversal en columnas y elementos de borde en muros.

Para evitar el pandeo de las barras de borde, se propone agregar refuerzo transversal,

d bt d bt

db ≤ db

bw

d bt ≥

bw

9

d b fy 3 fyt

• 2.3 Se limita el diámetro máximo de la barra longitudinal • 2.4 Se prescribe el mínimo diámetro para el refuerzo transversal

Si no se aplica el diseño por capacidad, se deben confinar todos los bordes de muros que tengan una línea neutra mayor que la crítica. Si el muro no ha sido diseñado para tener una sola sección crítica para flexión y carga axial mediante el diseño por capacidad según se establece en el Apéndice E, se deben confinar todas las zonas de compresión donde c supere el valor indicado en la ecuación (21-8).

El artículo 21.9.6.2 dice:

Elementos de borde confinados Secciones en transición con c < 0.5lw. (a) El refuerzo de un elemento borde confinado debe cumplir con §21.4.4.1(a) y (b) de ACI318-05, pero no necesita cumplir con la Ecuación (21-3).

Elementos de borde confinados Secciones en transición con 0.004 < εs