DISEÑO DE PÓRTICOS DÚCTILES ESPECIALES
1. INTRODUCCIÓN.
En las vigas de hormigón armado, en particular cuando forman parte de
pórticos resistentes a cargas gravitatorias y de sismo, los esfuerzos de
flexión son los que deberían controlar el diseño. Como se verá, en la filosofía
de diseño por capacidad, por lo general los extremos de las vigas son los
lugares seleccionados para comenzar a rotularse plásticamente a los efectos de
disipar la energía del sismo. Es por ello que la falla primaria debería ser
iniciada por la fluencia de sus armaduras en tracción. Se deben evitar fallas
de corte, de adherencia, de anclaje y de inestabilidad por pandeo. Además, bajo
cargas de servicio se deben satisfacer los requerimientos de rigidez, los
cuales se verifican manteniendo las deformadas por debajo de los niveles
admisibles.
Se aplican exigencias del C201-2005, ref.[1] y del IC-103-II-2005,
ref.[5]. Se hará referencia en algunos aspectos a lo exigido por la norma
NZS:3101, ref.[7].
2 REDISTRIBUCIÓN
DE MOMENTOS.
2.1 FUNDAMENTOS
Y OBJETIVOS.
En general, la combinación de los efectos de cargas gravitatorias y de
sismo resulta en una distribución de momentos en los pórticos que no permiten
un diseño muy efectivo de las vigas y las columnas. El C-201 permite la
redistribución de momentos para el caso de cargas gravitatorias, cuando se
cumple la condición que t >0.75 %,
con un valor de redistribución de 1000 t y hasta un máximo del 20 %. Sin embargo, tanto el IC-103-II-2005, en su sección 2.2.3.3 y
el NZS:3101 permiten una redistribución de hasta el 30 % cuando las acciones
incluyen al sismo.
Los
objetivos de la redistribución de esfuerzos se pueden resumir en:
(i)
Reducir
el máximo momento absoluto, generalmente en la zona de momento negativo de la
viga, y compensar dicha reducción incrementando los momentos (generalmente
positivos) en las zonas no críticas. Donde sea conveniente y posible, se
tratará de que los momentos requeridos negativo y positivos sean
aproximadamente iguales. Esto resultará en un arreglo de armaduras para flexión
simple y simétrica en esas secciones de vigas.
(ii)
Igualar
los requerimientos de momentos críticos para las secciones de vigas ubicadas en
caras opuestas de columnas interiores, que resultan de la reversión de las
fuerzas sísmicas aplicadas. La ventaja de igualar momentos a ambos lados de la
columna es evitar tener que anclar armadura de flexión en las vigas en el
interior de la unión viga-columna o nudo. En el caso en que se acepten momentos
diferentes a ambos lados, y no se ancle en el nudo, el diseño estará controlado
por el mayor momento y al anclar del otro lado las armaduras producirán una
sobre resistencia a flexión que no es deseada.
(iii)
Utilizar
la máxima capacidad de momento positivo que requieren los códigos cuando éste
excede las demandas derivadas de un análisis elástico. En general, los códigos,
por ejemplo el IC-103-II, sección 2.2.6, establecen que en zonas potenciales de
rótulas plásticas, la armadura de compresión A´s debe al menos ser igual al 50 % de la armadura As
en tracción. La intención de esta exigencia es: (i) asegurar que la presencia
de armadura de compresión en flexión contribuya a una adecuada ductilidad de la
sección bajo la acción de grandes momentos negativos, y (ii) suministrar un
mínimo de resistencia a momento positivo que contemple su presencia ante las
incertidumbres de la modelación de cargas y estructura.
(iv)
Reducir
las demandas de momentos en columnas críticas, particularmente en aquellas
sometidas a pequeñas fuerzas de compresión o a tracción. Esto será necesario a
veces para evitar la necesidad de usar armadura de flexión excesiva en tales
columnas.
Como se ve, en definitiva se trata de cumplir uno de los requisitos
básicos en ingeniería sismo resistente: evitar bruscas discontinuidades de
rigidez, resistencia y ductilidad. Para ello, el diseñador debería tratar que
las demandas y suministros estén lo más uniformemente distribuidos a lo largo
de la estructura.
2.2
REQUERIMIENTOS
DE EQUILIBRIO PARA REDISTRIBUCIÓN DE MOMENTOS
El requerimiento esencial en el proceso de redistribución de momentos es
que se debe mantener el equilibrio ante las acciones sísmicas y
gravitatorias.
La
Fig. 1 representa una porción de un pórtico de un edificio de varios pisos, la
cual se toma como cuerpo libre cortando las columnas en sus puntos de inflexión
de momentos por encima y por debajo de la viga de un piso cualquiera. La
configuración de diagramas de momentos que se muestra resulta de un análisis
elástico ante las acciones simultáneas de cargas gravitatorias y fuerzas
sísmicas. Se designa con V´j y
Vj respectivamente a las fuerzas de corte transmitidas por las
columnas por encima y por debajo del piso, cuando la dirección del sismo es de
izquierda a derecha, como lo indica la fuerza Fj. Note que esas fuerzas de corte incluyen los efectos
de las cargas gravitatorias. Sin embargo, dado que no hay fuerzas horizontales
aplicadas al pórtico debido a cargas gravitatorias, no puede existir un corte
asociado a dichas cargas. Por lo tanto, la suma de las fuerzas de corte en cada
piso que corresponden a cargas verticales debe ser nula. En consecuencia, las
fuerzas de corte de piso resultantes en cada nivel, V´j y Vj, son exclusivamente debidas a las
fuerzas horizontales sísmicas Fj.
En la figura, con i se designa a cada
columna (de i=1 a i=4 en este caso),
mientras que j corresponde a un nivel
determinado del pórtico.
Fig. 1.
Equilibrio de un nivel de un pórtico (entrepiso con columnas por encima y
debajo) sometido a cargas gravitatorias y sismo izquierda, cuando el sismo
controla.
Al considerar las condiciones de equilibrio, se hace la simplificación
de que la distancia entre los puntos de contraflecha de las columnas por encima
y por debajo de la viga es la misma para todas las columnas del pórtico, y que
esta distancia no cambia durante la redistribución de momentos en las vigas. Se
puede comprobar que esto es una suposición bastante válida para pórticos
relativamente regulares. En función de lo indicado en la Fig. 1, la condición
supuesta es que (l´i+li)=lc,
es una constante.
La condición de equilibrio a satisfacer se puede plantear con las
fuerzas de corte por un lado y con los momentos por otro. El equilibrio de
fuerzas horizontales requiere:
Estas ecuaciones indican que si bien algunas o todas las fuerzas de
corte de las columnas pueden cambiar en un piso durante la redistribución de
momentos, las fuerzas horizontales totales en ese piso, los cortantes,
permanecen constantes.
Los requerimientos de las ecuaciones (1) se pueden expresar también en
función del equilibrio de momentos, lo cual es más conveniente para el diseño
en forma práctica. Como lo indica la Fig. 1, las fuerzas de corte en cualquier
columna individual aplican a los nudos de la viga continua en el nudo i un momento Mci = l´i V´ji + li Vji
. Sin embargo, durante la redistribución de momentos, se introduce en el nudo i un incremento o disminución Mi. Esto implica un cambio en la
fuerza de corte dado por:
La ecuación
(2) indica que para mantener el corte constante en el nivel j debido a las fuerzas en las columnas i, la suma de los incrementos de las
fuerzas de corte, es decir
iVi en los pisos por encima y por
debajo de la viga del nivel j debe
ser nula, por lo que también entonces iM i debe ser cero también ya que (l´i+li)=lc,
es una constante. Es decir que los requerimientos de la ecuación (1a) después
de la redistribución de momentos se cumplen si:
donde Mbi refiere a los momentos
introducidos a una columna por las vigas que se conectan a dicha columna en el
nudo i. La ecuación (3) implica que
la magnitud de cualquiera o de todos los momentos en los extremos de las vigas
puede cambiar siempre y cuando la suma de los momentos extremos permanezca
invariable. En las aplicaciones prácticas, para la redistribución sólo basta
con cumplir (3) y con ello automáticamente se cumple (1). Esto no es otra cosa
que reconocer la ecuación de equilibrio de momentos en un nudo, es decir que Mb = Mc.
Hay dos situaciones o formas de redistribución de momentos a lo largo de
vigas continuas. La primera involucra la redistribución de los momentos en las
vigas a través de un nudo. Por ejemplo, en la Fig. 1 se puede aceptar que el M21 se puede reducir en una
cierta cantidad y el M23
se podría incrementar en la misma cantidad. En este caso la demanda total de momento
para el nudo por parte de las vigas permanece invariable y por lo tanto, los
momentos y fuerzas de corte para dicha columna no varían. Si no modifico otra
condición, el resto permanecería sin cambios. Es decir, en este caso los cortes
en las columnas no han sido modificados en relación al análisis original.
El segundo tipo de redistribución de momentos en las vigas involucra una
redistribución de las acciones entre las columnas. Por ejemplo, si yo redujera
el momento M43 en M4 (por ser en el nudo 4), en
cualquiera o en todos los extremos de las vigas los momentos deberían ser
incrementados tal que se compense la anterior disminución. Así por ejemplo,
podría decidir modificar la situación en los nudos 1 y 3, incrementando los
momento positivos M12 y el
M34 de tal forma que se
cumpla que M1 + M3 + M4=0.
Debido a que los momentos que las vigas introducen en las columnas 1,
3 y 4 han cambiado, las fuerzas de corte en dichas columnas también cambiarán.
Es decir que se va a producir una redistribución de cortes y momentos entre
esas tres columnas. Las condiciones de equilibrio (1) a (4) no deben ser
violadas.
Con la aplicación de estos dos casos, cualquier combinación de reducción
e incrementos de momentos es posible, siempre y cuando (4) sea satisfecha, lo
cual hace que el proceso de redistribución sea muy simple.
A los efectos de lograr soluciones simples y efectivas, el diseñador
“maneja” solamente los momentos en los extremos de las vigas. Las condiciones de equilibrio para cargas
gravitatorias se mantienen siempre y cuando la parte de momentos flectores que
se inducen debido a cargas de gravedad y que son aplicables a una viga
simplemente apoyada (es decir, el momento superpuesto en una línea recta de
referencia que une los momentos extremos de la viga) no se cambien. En la Fig.
1, los valores que no se deben modificar se designan con Mf12, Mf23 y Mf34.
Es de notar que un cambio en los momentos extremos de las vigas en
cualquier tramo modifica las reacciones de las vigas (y sus cortes) y por lo
tanto las fuerzas axiales introducidas a las columnas individuales por debajo
de la viga en consideración.
2.3
CONDICIONES Y GUÍAS PARA REDISTRIBUCIÓN.
La redistribución de momentos sólo es confiable si se dispone de una
adecuada capacidad de ductilidad de rotación en las secciones de las vigas. La
consecuencia de la redistribución de las acciones de diseño será que aquellos
elementos cuyas demandas son reducidas por redistribución, comenzarán a fluir a
una intensidad de carga menor que la que corresponde al diseño de cargas
horizontales. Por ello tendrán que sostener un incremento de demandas de
ductilidad aproximadamente en una proporción inversa al cambio de nivel de
momento respecto al nivel elástico. Sin embargo, la demanda de ductilidad
global debido al sismo sobre la estructura en su conjunto permanecerá
inalterable. Debido a la filosofía de diseño para pórticos de viga débil-columna
fuerte, donde la disipación de energía primariamente se le asigna a las vigas,
se deberán suministrar detalles especiales en las regiones críticas de dichos
elementos. De esa forma se podrán acomodar las mayores demandas de rotación
originadas por la redistribución.
Se hace notar que el proceso de distribución que se describió
anteriormente descansa enteramente en las rotaciones plásticas que se produzcan
en las vigas. La redistribución de momentos y cortes entre las columnas también
se fundamenta en las rotaciones plásticas de las vigas solamente.
El IC-103 establece que en cualquier tramo de una viga continua en un
pórtico dúctil los máximos momentos absolutos se pueden disminuir hasta un
máximo del 30 % del máximo momento
derivado para ese tramo del análisis elástico, para cualquier combinación que
incluya el sismo y cargas gravitatorias. Este límite se impone a los efectos de
asegurar que (i) bajo cargas de servicio no aparezcan fisuras y deformaciones
que puedan poner en riesgo las condiciones de funcionalidad, (ii) que no se
produzcan en forma prematura rótulas plásticas bajo la ocurrencia de sismos
moderados, y (iii) que la demanda de ductilidad de rotación no se eleve en
forma excesiva bajo el sismo de diseño máximo.
Las inexactitudes inherentes en los análisis elásticos, como se dijo
antes, pueden influir el grado real de redistribución. El impacto del límite
del 30 % es que la fluencia puede
comenzar alrededor del 70 % del nivel
de la carga de diseño. Debido a la reducción que resulta en la curvatura de
fluencia, la demanda de ductilidad de curvatura pico en tal sección se
incrementaría en un 43 % (1/0.70). Esto se considera aceptable a
la luz de los requerimientos conservadores de detalle que se especifican en las
normas para las regiones plásticas de las vigas. Un aumento en la ductilidad de
curvaturas en tales secciones implica mayores deformaciones de tracción en el
acero más que mayores deformaciones de compresión en el hormigón.
La Fig. 2 muestra en forma esquemática el cambio de demandas de
ductilidad para una redistribución simple entre dos potenciales rótulas
plásticas, A y B, en función de características bi-lineales, LE-PP (Linealmente
Elástico-Perfectamente Plástico), supuestas para la respuesta
fuerza-desplazamiento. Suponiendo que el diagrama de momento flector elástico
indicaba igual demandas de resistencia en A que en B, el diseño correspondiente
hubiera asegurado que ambas rótulas comenzarían a fluir simultáneamente. Por lo
tanto, la respuesta elástoplástica de cada articulación, correspondiente a la
fuerza de resistencia FA= FB=
0.50 FD, es la misma que corresponde a la estructura en su
conjunto. Esto se muestra en las líneas continuas de la figura. La demanda de
ductilidad de rotación para cada rótula (ignorando los efectos de deformación
de columnas y nudos) es A= B = máx/ y.
Fig. 2. Influencia de la
redistribución de momentos en las demandas de ductilidad rotacional de las
vigas.
La redistribución desde la rótula A
hacia B, con disminución del 30 % de fuerza de 0.30FA= 0.15 FD, cambiará las características
de desplazamientos de fluencia a yA= 0.70y y yB= 1.30y, suponiendo que las rigideces de
A y B permanecieron invariables. La respuesta que resulta se muestra en
líneas discontinuas en la Fig. 2. Se puede ver también que como resultado de la
redistribución del 30 %, la demanda
de ductilidad creció en A en un 43 %, mientras que disminuyó en B en un 23 % (es decir 1-1/1.3).
El ejemplo citado es en cierto modo conservador debido a que no tuvo en
cuenta el cambio en las rigideces de las regiones A y B debido a la
redistribución. Una reducción de momento resulta en una reducción de la
cantidad de acero a colocar, la que se traduce en una reducción del módulo de
rigidez a flexión en la sección A con
un correspondiente incremento de las características de desplazamiento a
fluencia, yA. Las líneas discontinuas de la Fig.
2(b) muestran las diferentes respuestas de las dos rótulas. Esto implica que
las diferencias en demandas de ductilidad de rotación no serán tan grandes como
antes se calcularon.
Se encontrará que para la mayoría de las situaciones prácticas la
configuración óptima de momentos flectores se puede obtener con cambios en los
momentos mucho menores que los del límite del 30 %. Debido a que un incremento de la capacidad de momentos en una
sección como consecuencia de la redistribución (por ejemplo en B) demora el inicio de fluencia y reduce
la demanda local de ductilidad de rotación en dicha sección, no es necesario
colocar límites en cuanto un momento puede ser incrementado a lo largo de la
viga. Sin embargo, esto debe ser realizado dentro de las restricciones
implicadas en los requerimientos de equilibrio para asegurar que no ocurren
sobre resistencias innecesarias.
2.4 EJEMPLO
DE APLICACIÓN DE REDISTRIBUCIÓN DE MOMENTOS.
Se toma como ejemplo de aplicación la porción de pórtico que se muestra
en la Fig. 3(a), donde se indican los momentos que resultan de un análisis
estructural bajo la acción de cargas gravitatorias y sismo. Las primeras
observaciones que se pueden hacer a partir de esos diagramas de momentos en
vigas, son las siguientes:
(i)
Existe
una marcada diferencia entre los picos de máximo momento negativo, del orden de
39 % (entre 46 tm y 33 tm), y del 56
% entre picos de momento positivo (entre 25
tm y 16 tm).
(ii)
El
máximo negativo, 46 tm, en los
extremos de las vigas, exigirá una importante cantidad de acero que deberá ser
anclada en el núcleo de las columnas con posibles problemas de congestión de
armaduras. Por ejemplo, si las vigas fueras de 30cmx55cm de sección, la armadura negativa sería del orden de 26 cm2, cuantía 1.6 %, 2 hierros de diámetro 20 mm
más 4 de 25 mm, que deben desarrollar su capacidad anclándose en el nudo
extremo.
(iii)
A
cada lado de las columnas interiores los momentos negativos de diseño, al tener
en cuenta la reversión de la acción sísmica, no son iguales, con una diferencia
dada por 40/33= 1.21, 21%. Esa
diferencia M= 7 tm
implicaría una cantidad de armadura mayor en una de las caras del orden de 4 cm2, es decir el
equivalente a, por ejemplo, 2 barras
de 16 mm. Estas barras deben o
terminarse y anclarse en el nudo, o si se continúan darán sobre resistencia a
flexión en el extremo de la viga del otro lado de la columna.
(iv)
Para
momentos positivos, hay una situación similar con una diferencia M= 20-16= 4 tm, que implicaría diferencia de
armadura del orden de 2.25 cm2.
(v)
Las
diferencias entre demandas de momento negativo y momento positivo en la misma
cara de una columna son bastante grandes, por ejemplo 46/25= 1.84, o y aún mayor en el caso de 40/16= 2.5. Esto supone que las secciones de las vigas en sus
extremos estarían bastante lejos de ser armadas simétricamente y por otro lado,
no se aprovecharía en el caso de la diferencia de 2.5 veces, el hecho de que la norma pide que en zona de rótula
plástica la resistencia a momento positivo sea al menos del 50 % de la que corresponde a momento
negativo.
Fig. 3(a) Pórtico para Ejemplo de
Redistribución de Momentos en Vigas: Momentos y Cortes en Vigas y Columnas
ANTES de la Redistribución.
Si bien uno de los objetivos de la redistribución es tratar que las
cantidades de armaduras colocadas en los extremos de las vigas sean iguales
(uniformidad de resistencia y optimización del suministro de ductilidad) hay
ciertos aspectos que hay que tener en cuenta al momento de la redistribución
que indican que para tal fin es conveniente que los momentos negativos sean
algo mayor, digamos entre 20 a 30 %,
que los positivos. Las razones son las siguientes:
(a)
Generalmente
las articulaciones plásticas se forman en las caras de las columnas, y no en
los ejes de las mismas. Note que los momentos indicados son a ejes de vigas y
de columnas. La influencia de las cargas gravitatorias en el tramo es tal que
los momentos negativos de las vigas se reducen más rápidamente que los momentos
positivos con la distancia desde el centro de las columnas. Por ello, si se
quiere tener iguales momentos en la sección crítica a cara de las columnas, el
momento negativo debe ser un poco mayor que el positivo a eje de columna. La
redistribución para satisfacer las condiciones de equilibrio antes expresadas
se deben llevar a cabo a eje de elementos.
(b)
La
armadura de la losa contribuye en la resistencia al momento negativo. Por lo
tanto, para tener armadura simétrica en el alma de la viga hay que tener mayor
demanda con la tracción superior. Tener muy en cuenta lo que dice el IC-103-II
en su sección 2.2.6.(e) y en NZS:3101 en sus comentario C.8.3.2.4: al menos el 75 % de la armadura longitudinal
requerida para flexión debe pasar por el núcleo de la columna. Si el ancho de
la viga fuera similar al de la columna, entonces de la demanda total a momento
negativo, el 25 % de armadura podría
considerarse que está dentro del ancho efectivo de tracción, o sea fuera del
nervio.
Para el caso
del ejemplo de Fig. 3(a), ecuación (3.4) nos exige que la suma de momentos:
debe
permanecer invariable después de la redistribución. Una primera alternativa de
redistribución sería, por ejemplo, repartir el momento de 180 tm entre las seis
secciones por igual, lo que daría un momento de 30 tm en cada una de ellas. Sin embargo, ni es posible ni es
conveniente porque:
(i)
46x0.30 = 13.80 tm es el máximo valor con que se puede
reducir al momento pico negativo, es decir éste no debe resultar menor de (46tm-13.80 tm) = 32.20 tm > 30 tm.
(ii)
No es conveniente por las razones (a) y (b) antes mencionadas.
Probamos entonces con asignar 33
tm a los momentos negativos y 27 tm
a los positivos, de modo que:
muestran los resultados finales de la redistribución tanto para vigas
como para columnas, y se ve que ha existido un reajuste de esfuerzos de corte y
momento en las columnas.
Se observa
que:
es decir, se
mantiene el equilibrio, y no se han modificado los cortantes totales en las
con lo cual
se satisface la condición de equilibrio, y resultan:
(i)
Todos
los momentos negativos iguales a 33 tm.
(ii)
Todos
los momentos positivos iguales a 27 tm.
(iii)
Una
diferencia del 22 % entre los máximos
positivos y negativos.
En
definitiva, con una armadura aproximada a:
2 barras de diámetro 20 mm y 3 barras adicionales del mismo diámetro
(y no con 4 del 25 mm como requería
antes el pico negativo) se está por encima de la demanda, y podría reducirse
aún más si se considera alguna armadura intermedia (por ejemplo 2 barras de 10 mm). Para el resto del momento negativo a absorber, (33 tm -27 tm = 6 tm), la armadura
necesaria sería del orden de 3.40 cm2,
fácilmente lograda dentro del ancho efectivo en tracción de la losa con, por
ejemplo, 7 barras diámetro 8 mm, aunque se puede reducir al
considerar el momento a cara de viga.
La
Fig. 3(a) muestra el sub-nivel completo de la viga donde se está efectuando la
redistribución del ejemplo. Se indican los cortantes en las columnas por
encima, V´i= 54 ton, y por
debajo, Vj= 66 ton, cuando
en el nivel se aplican 12 ton que
completan el equilibrio en términos de fuerzas. Se indican los momentos de
columnas en pie para piso superior y cabeza para piso inferior asociados a
dichos cortantes columnas por encima y por debajo del nivel analizado.
Fig. 3(b) Momentos y Cortes DESPUÉS
de la Redistribución.
Para calcular los esfuerzos de corte en las columnas después de la
redistribución, se debe aplicar la ecuación (3.2), es decir:
obteniendo
primero el M i que se produjo en las columnas para
cada nudo, y dividendo por lc
para obtener el incremento o disminución del corte en cada columna, que luego
se agrega al corte existente en la misma antes de la redistribución. La suma de
los incrementos de corte (como los de momento) es cero. Luego, se calculan los
momentos en extremos de la columna, multiplicando el corte total resultante de
cada columna en cada nivel, por la altura de punto de inflexión al nudo, 1.50 m en este caso.
3 DISEÑO DE
SECCIONES DE HORMIGÓN ARMADO A FLEXIÓN.
En el Cap. 10 del C-201-05 están las consideraciones generales que hacen
al diseño de secciones de hormigón armado sometidas a flexión y a esfuerzo
axial, y combinación de ambas. Se hace una síntesis a continuación:
(i)
Se
debe cumplir con las condiciones de equilibrio (estática) y compatibilidad
(deformaciones).
(ii)
Las
deformaciones se consideran proporcionales a la distancia al eje neutro.
(iii) Para la resistencia nominal adoptar
en el hormigón cmáx= 0.003. (iv) Para el acero adoptar fs
= Es . s, cuando fs < fy, y si s y, adoptar fs = fy.
(v) Se ignora la resistencia a tracción del hormigón.
(vi) La relación f- del hormigón en compresión se puede
adoptar como rectangular, trapezoidal, parabólica o de otra forma que de
resultados satisfactorios. Ver por ejemplo la Fig. 4.
(vii)
Se
puede usar para el punto anterior el diagrama simplificado de distribución de
tensiones equivalentes que se ve en Fig. 5.
(viii)
Para
f´c 30 MPa el factor 1 = 0.85.
(ix)
Se
define como falla balanceada la situación de rotura de la sección según se
esquematiza en la Fig. 11.
(x) Se definen cuándo las secciones
están controladas por compresión o por tracción de la siguiente manera: (i)
controla compresión si siendo ´cmáx= 0.003 la deformación de tracción en el acero es ´t<
0.002. La Fig. 12
esquematiza la situación, y se ve que el límite lo da la falla balanceada; (ii)
controla tracción si siendo ´cmáx= 0.003, la deformación de tracción en el acero es t> 0.005. Entre
ambos límites existe una transición.
(xi)
En
la sección 10.3.5 establece que para elementos no pretensados sometidos a
flexión y con carga axial no mayor de 0.10f´cAg
la deformación neta de tracción debe ser t> 0.004
para el instante de la resistencia nominal. El objetivo de este artículo es
limitar en forma efectiva la cuantía de acero en tracción para asegurar un
comportamiento dúctil, ya que para t> 0.002
se produciría la falla balanceada. Hasta la versión anterior el ACI-318-1999
imponía la condición de que la cuantía máxima de tracción no debía ser mayor
que la que corresponde al 75 % de la
balanceada y si se llevaba a cabo redistribución de momentos no podía superar
el 50 % de la cuantía balanceada. La
tabla 1 muestra los requerimientos anteriores y su relación con los de la nueva
versión.
Como se ve, es importante reflexionar sobre el
estado de falla balanceada como concepto físico que permite al diseñador
evaluar la disponibilidad o no de ductilidad.
Fig. 5. Modelo de comportamiento en
flexión para el estado de rotura
Permitido por el ACI-318 y CIRSOC 201-05
Note que la ductilidad de curvaturas para la falla balanceada es 1.0
(no cero), y el diseñador debe alejarse de esta situación pues en ese caso el
comportamiento de la sección sería frágil. En vigas, la máxima deformación del
acero y por ende la ductilidad está controlada por la cantidad de armadura en
tracción. En columnas, quien controla el tipo de falla fundamentalmente es el
nivel de carga axial.
4. DISTANCIA
ENTRE LOS APOYOS LATERALES DE ELEMENTOS SOMETIDOS A FLEXIÓN Y DE DIMENSIONES DE
LOS ELEMENTOS.
En la parte sísmica, el IC-103, sección 2.2.1 y el NZS:3101 en sección
8.5.2 establecen las siguientes limitaciones:
Para
secciones Rectangulares, y con momentos en ambos extremos se debe cumplir:
Y para secciones rectangulares para viga en voladizo se debe cumplir:
Para secciones T y L con ala y alma construidas monolíticamente, y con
momentos en ambos extremos, se permite incrementar los límites en un 50 %, es decir que se debe cumplir:
Además, el IC-103, sección 2.2.1.5 impone que si la viga es más ancha
que la columna, el ancho de la viga que resiste las acciones de la columna se
debe tomar según indica la Fig.6.
5
RESISTENCIAS REQUERIDAS. EVALUACIÓN DE DEMANDAS. APLICACIÓN DE COEFICIENTES DE
REDUCCIÓN DE RESISTENCIAS
Para determinar las resistencias demandas y las resistencias
suministradas se debe tener en cuenta el mecanismo de colapso que el diseñador
prevea para su estructura. La Fig. 7(a) muestra el caso en que se diseña para
columna fuerte-viga débil, es decir con articulaciones plásticas en los
extremos de vigas, por lo que en ese caso:
(i)
obtener
las demandas de flexión en las vigas a partir del análisis estructural con las
combinaciones:
U= 1.4D U= 1.2D + 1.6L
usando el
factor de reducción de resistencia = 0.9.
(ii)
Diseñar
las vigas al corte y las columnas a flexo-compresión y corte a partir de la
Sobre Resistencia a flexión de las vigas, Mo.
En este caso w= 1.0.
(i)
Obtener
las demandas de flexión en las columnas a partir del análisis estructural con
las combinaciones antes especificadas, con el factor de reducción de
resistencia que corresponda según el tipo de
columna y el nivel de carga axial (es decir ver si controla la compresión o la
tracción).
(ii)
Diseñar
al corte en las columnas y a flexión y corte en las vigas a partir de la Sobre
Resistencia a flexión de las columnas, donde se puede utilizar entonces
factores de reducción de resistencia =1.0.
6.
DEFINICIÓN DE LONGITUD DE RÓTULA PLÁSTICA.
Es importante identificar con claridad las ubicaciones y extensiones de
las potenciales rótulas plásticas dado que ellas son objeto de detalles
especiales en el caso de pórticos dúctiles sometidos a acciones sísmicas.
En el caso de que las acciones que controlan el diseño son las sísmicas,
las rótulas plásticas se localizan comúnmente en la zona adyacente de las caras
de las columnas, como se muestra en el caso de las vigas más cortas de la Fig.
7(a). En la Fig. 8 se muestra la extensión de la zona de rótula para el caso de
sección crítica ubicada en la cara de la columna y en el tramo de la viga. En
este último caso se ve que en la cara de la zona de momento positivo se debe
tomar lRP=2(2h)=2h.
Hay casos en que por diversos motivos, como problemas para anclar las
barras de las vigas, el diseñador decide mover la plastificación hacia el
centro de la viga. En esos casos, la Fig. 9 muestra la longitud a considerar
como plástica.
Fig. 7. Configuración de Rótulas
Plásticas en Vigas.
Fig. 8. Longitud de Rótulas Plásticas cuando la
sección crítica se ubica en cara de columna y tramo
Anclaje de la armadura longitudinal
en la prolongación de una viga.
7. GANCHOS
NORMALES.
Por aplicación de las normas en estudio, ya no es necesario utilizar
ganchos en todos los extremos de las barras como lo exige el CCSR-Mza-87. Esto
es algo muy racional pues no es necesario utilizar ganchos cuando no se los
necesita, y en muchos casos va en detrimento de la respuesta, ver. Ref.[12].
Los ganchos normales según C201-05 se muestran en la Fig. 10(a).
Ganchos normales
VÍDEO DISEÑO DE PÓRTICOS DÚCTILES
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