Comportamiento y Diseño de Estructuras de … y Diseño de Estructuras de Mampostería Reforzada para Vivienda Richard E. Klingner (Universidad de Texas en Austin, Universidad de

Comportamiento y Diseño de Estructuras de Mampostería Reforzada para ViviendaRichard E. Klingner (Universidad de Texas en Austin, Universidad de Costa Rica)

8o Simposio Nacional sobre Ingeniería Estructural en la Vivienda Puebla, México 5 de Octubre 2013

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Comportamiento y diseño de estructuras de mampostería reforzada para vivienda

Richard E. KlingnerLa Universidad de Texas en Austin ( Profesor Emérito )Universidad de Costa Rica ( Profesor Visitante )

8º Simposio Nacional sobre Ingeniería Estructural en la ViviendaPuebla , Puebla , MÉXICO5 de Octubre 2013

participantes en el proyecto

University of Texas at Austin Richard E . Klingner , Farhad Ahmadi ( GRA ) ,

Jaime Hernandez ( GRA ) , Saleh Alogla ( GRA )

University of California at San Diego Benson Shing , Marios Mavros ( GRA ) , Andreas

Stavridis ( ahora en la UT Arlington )

Washington State University David McLean , Jacob Sherman ( GRA ) , Will

Cyrier ( GRA ) , Christina Duncan Kapoi ( GRA )

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puntos importantes de esta ponencia

el diseño por fuerzas no siempre funciona bien para estructuras tipo muro cortante , incluyendo las de mampostería reforzada

el diseño por desplazamientos sí funciona para producir estructuras de mampostería reforzada que se comportan en forma confiable es sismos fuertes es más consistente y transparente que el

diseño puramente con base en fuerzas es idóneo para oficinas con experiencia

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contenido de la ponencia repasar la respuesta sísmica y diseño sísmico

actual para estructuras de mampostería proponer el diseño por desplazamientos para

la mampostería reforzada llevar a cabo ensayos cíclicos en muros de

mampostería para determinar parámetros mejorar y verificar modelos analíticos para

muros cortantes de mampostería reforzada usar ensayos a escala completa en mesa

vibratoria para verificar el diseño4

el diseño sísmico actual( ASCE 7 ) se basa en fuerzas . . .

determinar la Categoría de Diseño Sísmico por ubicación geográfica y suelo escoger entre una lista ASCE 7 de sistemas

estructurales permitidos ( muros reforzados de mampostería “especiales” e “intermedios” )

detallado prescrito para cada segmento de muro máx para cada segmento de muro

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. . . el diseño sísmico actual( ASCE 7 ) se basa en fuerzas

con base en el sistema estructural , asignar factores de diseño sísmico(R , Cd , 0 ) diseñar para fuerzas elásticas ( secciones

agrietadas ) divididas por R diseñar para desplazamientos elásticos

( secciones agrietadas ) multiplicados por Cd

diseñar elementos que tienen que permanecerelásticos para fuerzas elásticas ( seccionesagrietadas ) divididas por R y multiplicadas por0

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2

el diseño por fuerzas no siempre funciona bien

el comportamiento final no siempre es consistente con la intención del diseño

la ductilidad requerida por R e implicada por el detallado puedeno estar disponible

los requisitos prescriptivos no se relacionan claramente con comportamiento

los límites superiores pueden serimposibles de lograr 7

una estructurabaja en SDC D no va a lograralta ductilidad

los requisitos de diseño porfuerzas no son siempre claroso confiables

las solicitaciones aplicadas no son buenamedida de daños

las deformaciones inelásticas sí son buena medida de daños , y debenenfatizarse en el diseño

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estimar la demanda máxima de desplazamientos

seleccionar un mecanismo razonable de colapso rótulas plásticas a flexión “rótulas plásticas” cortantes

identificar la demanda de deformacionesinelásticas asociadas al mecanismo

ajustar la capacidad o el detallado para que la capacidad de deformación inelástica iguale o exceda la demanda 9

el diseño por desplazamientospara estructuras de mampostería reforzada

pasos fundamentales del método propuesto de diseñopor desplazamientos

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Step 4: Determine Equivalent Hysteretic Damping

Step3: Propose Initial Design, Conduct Inelastic Analysis,

and Develop Design Mechanism

Step 5: Determine Equivalent Structural Period

Step 6: Compute Required Base Shear, Vreq

Step 7: Predict Actual Base Shear, Vactual

Modify Lateral System

Not Good OK

Step 9: Complete Structural Detailing

Step2: Define Design Target Local Deformation Ratios and

Target Drifts

Step1: Define Seismic Hazard

Step 8: Verify Base Shear

Vactual

posibles mecanismos de diseño

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refuerzo correspondiente

reforzar paracapacidad

suficiente de rotación inelástica

en rótulas a flexión

rótulas a flexióó

desplazamiento prefijado

desplazamiento prefijado

“rótulas” cortantes refuerzo correspondiente

reforzar paracapacidad suficiente

de deformacióninelástica en “rótulas”

cortantes

base técnica para el diseñopor desplazamientos

determinamos parámetros de diseño ( a flexión y a cortante ) de segmentos de murocon diferentes condiciones de borde , cargasaxiales , y configuraciones de refuerzo

diseñamos probetas “sencilla” y “difícil” pronosticamos sus respuestas analíticamente verificamos las respuestas pronosticadas contra

los resultados de ensayos en mesa vibratoria las probetas se comportaron bien , y de

acuerdo con lo pronosticado 12



3

trabajo experimental parasentar la base técnica para el diseño por desplazamientos

diseñar , construir , y conducir ensayoscíclicos de muros de mampostería en voladizo y empotrados

evaluar los resultados de los ensayos diseñar dos probetas de múltiples niveles y

a escala completa , por fuerzas y pordesplazamientos

participar en ensayos de las dos probetasen mesa vibratoria

evaluar los resultados de los ensayos 13

conducir ensayos a cargacíclica alterna de muroscortantes de mampostería

41 probetas tipo muro cortante de mampostería reforzada diferentes niveles de detallado prescriptivo , cargas

axiales , condiciones de borde , y configuracionesde refuerzo

refinar requisitos normativos EEUU para rótulasplásticas , máx , y diseño por capacidad paracortante

evaluare relación entre parámetros de diseñocomportamiento no lineal de probetas

refinar modelos analíticos y capacidades inelásticasde deformaciones para tales muros 14

. . . ensayos bajo carga cíclicade muros cortantes en voladizo

montaje para probetas en voladizo

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montaje para probetas empotradas

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. . . ensayos bajo carga cíclicade muros cortantes empotrados

. . . resultados típicos de ensayos bajo carga cíclicaalterna

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comportamiento típico cíclico de probetas empotradas(UT – PBS – 01)

componentes de desplazamientos y derivas

(deformación cortante ) / deformación total ) ~ 0.60

deriva total ~ 1.3%

capacidades de deformacióninelástica para segmentos de muro controlados por flexión

capacidad local de deformación ( deriva ) 0.8% para Sismo de Diseño ( retorno de ~ 475 años ) 1.5% para Sismo Máximo Considerado ( ~ 2500 años )

18



4

capacidades de deformacióninelástica para segmentos de muro controlados por cortante

capacidad local de deformación ( deriva ) 0.5% para Sismo de Diseño ( retorno de ~ 475 años ) 1% para Sismo Máximo Considerado ( ~ 2500 años )

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determinar amortiguamientoequivalente histerético

base de datos sobre amortiguamiento

20

usar los resultados de ensayos cíiclicos

base de datos sobreamortiguamiento

022

teq

Deq k

Et

21

“fácil” (2011)(configuraciónregular de aberturas)

“difícil” (2012)(configuración

irregular de aberturas)

diseñar y ensayar probeta “fácil” y probeta “difícil” probeta “fácil” de 3 niveles

ensayada en Enero y Febrero 2011 muros cortantes en voladizo , ligeramente acoplados configuración regular de aberturas

22

23

planta y elevación de probeta“fácil” diseño de probeta “fácil”

se obtuvieron resultados para los diseños porfuerzas y por desplazamientos

la probeta se idealizó como dos muros en voladizo , no acoplados

se cumplieron requisitos actuales sobre max , hasta para muros T ( fm = 175 kg / cm2 , todas las celdas llenas

se cumplieron requisitos actuales de refuerzoprescriptivo

se cumplió diseño por capacidad para cortante24



5

diseño por fuerzas de la probeta “fácil”

cargas por gravedad ( ASCE 7 - 05 ) cargas laterales por sismo ( Sección 1613 del

IBC 2009 ) y SDC D para San Diego R = 5 ( muro “especial” de mampostería

reforzada ) coeficiente de cortante basal = 0.26

diseño estructural ( Norma MSJC 2008 )

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la probeta “fácil” se comportóbien

26

observaciones selects cerca del colapso ( probeta “fácil” )

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segunda 150 % Chi Chi ( unas 2.0 veces MCE ) daño severo ( grietas cortantes de 1 cm ,

aplastamiento en talones de almas de muros T , deriva máxima en primera planta del 1.52 % )

los resultados son significativos desde la perspectiva de diseño

la probeta fue más rígida y resistente de lo quese anticipaba , y el comportamiento final no cuadró con la intención del diseño

la ductilidad requerida por R = 5 e implicada porel detallado no estuvo disponible

los resultados comprueban requisitos MSJC para el diseño y detallado de muros “especiales” de mampostería reforzada

en contraste a la suposición de diseño , los tablones de piso fueron elementos de acople muyrígidos y resistentes

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desarrollo y verificación de herramientas para el diseño pordesplazamientos

la UT Austin enfatizó el PERFORM 3D , un programa de análisis no lineal

se calibraron modelos analíticos para muroscortantes de mampostería reforzada walls

se usaron los modelos para pronosticar la respuesta sísmica de estructuras complejas

se usaron los modelos como parte de un procedimiento sistemático para el diseño pordesplazamientos de estructuras tipo murocortante de mampostería

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El “General Wall Element” del PERFORM – 3D 5 capas paralelas , en el plano central del componente se exige compatibilidad en las esquinas las capas flexo – compresivas se componen de fibras se usaron capas flexo – compresivas más cortantes no se usaron las capas puntal diagonal

los muros se modelan usandoelementos “macro”

30



6

modelos de materiales para los elementos PERFORM - 3D

se usaronpropiedadescon base en pruebasestándar

se incluyeronparámetros de la degradacióncíclica paracada material

Stress (ksi)

Strain

fy

fy

Stress (ksi)Strain

fm

fm

Strain

model

prism testmodel

test

Stre

ss (

MPa

)

Strain

Stre

ss (

MPa

)

31

. . . se calibraron los modeloscontra resultados de lasprobetas tipo muro análisis cíclico no lineal

32

nos sentimos satisfechos con los resultados de la calibración

el modelo propuesto cuadró bien con lasrespuestas observadas

el modelo propuesto captó bien lasrespuestas medidas , incluyendo capacidades , rigideces , y puntos de cedencia

el modelo propuesto representó en forma razonable las propiedades cíclicas , incluyendodegradación de rigidez , forma de lazoshisteréticos , desplazamientos residuales , y estrangulamiento

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el modelo se verificó usandola probeta de 3 pisos

malla relativamentegruesa

los “general wall elements” paracomportamientoinelástico en el plano

elementos viga –columna no linealespara comportamientofuera del plano

losas agrietadas y elásticas

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los pronósticos se acotejaroncon los resultados hasta 1.5 MCE ( pero no 2.0 MCE )

250% El Centro ( 1.5 MCE )

buen acuerdo parala respuesta de desplazamientos

buen acuerdo paralos lazoshisteréticos

35

los modelos pueden usarse con procedimientos específicos parael diseño por desplazamientos

los pronósticos cuadran bien con las respuestassísmicas observadas de estructuras tipo murocortante de mampostería reforzada ( por lo menos hasta 1.5 MCE )

los modelos dan un compromiso razonable entre facilidad de modelaje , calidad de resultados , y esfuerzo de cómputo

los modelos pueden usarse para pronosticar la respuesta no lineal de estructuras tipo muro de mampostería con arreglos complejos de aberturas

los modelos pueden formar parte de un marcosistemático para el diseño por desplazamientos 36



7

estructura “difícil” de 2 pisos

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se ensayó en Agosto – Septiembre 2012 geometría compleja de aberturas unos segmentos dominados por cortante

planta y elevación de la probeta “difícil”

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diseño de la probeta “difícil” se obtuvieron resultados diferentes para el

diseño por fuerzas y por desplazamientos se incluyó el acople por losas de entrepiso se cumplieron requisitos actuales para máx ,

aún para muros T ( fm = 175 kg / cm2 , todaslas celdas llenas )

no se cumplieron requisitos actuales pararefuerzo prescriptivo en segmentos centrales y derechos ( espacio ℓ / 3 )

se cumplió diseño por capacidad para cortante39

se seleccionaron niveles de riesgo sísmico y derivasprefijadas

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Nivel de RiesgoSísmico

Límites de Razones de Deformaciones Locales Derivas

locales entre niveles

Segmentoscontroladospor Flexión

Segmentoscontrolados

por Cortante

Sismo de Diseño( 10% en 50 años ) 0.8 % 0.5 % 0.3 %

Sismo MáximoConsiderado ( MCE )( 2% en 50 años )

1.5 % 1.0 % 0.6 %

llevar a cabo análisisinelástico

malla relativamentegruesa

los “general wall elements” paracomportamientoinelástico en el plano

elementos viga –columna no linealespara comportamientofuera del plano

losas agrietadas y elásticas 41

3D - model

desarrollar un mecanismoidóneo de diseño

hacer un análisis de empuje progresivo paradeterminar la curva de capacidad y los mecanismosprefijados

42mecanismo prefijado en MCE curva de capacidades

inter-story drift 0.6%

(MCE)

inter-story drift 0.3%

(DBE)



8

pronosticar demandas de deformacion en segmentos en derivas prefijadas

en Sismo de Diseño el segmento central se

domina por cortante , con deformacioneslocales de unos 0.6%

en Sismo Máximo el segmento central se

domina por cortante , con deformacioneslocales de unos 1.15%

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deformaciones locales en DE

deformaciones locales en MCE

pronosticar la respuesta de la probeta “difícil”

masa gravitacional M para asegurar sacudimiento más allá del sismo

máximo , la masa inercial se aumentó a 1.7 M escalando la frecuencia y la entrada a la mesa

se analizó la siguiente secuencia de entrada

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orden registro nivel

1 30% El Centro 1979

2 43% El Centro 1979 0.50 Diseño

3 86% El Centro 1979 0.80 Diseño

4 108% El Centro 1979 Mayor que Diseño

5 145 % El Centro 1979 Menor que Máximo

6 160% El Centro 1979 Mayor que Máximo

pronosticar la respuesta de la probeta “difícil”

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los segmentos centrales y derechos se dominaríanpor cortante , con razones de deformaciones locales de unos 1% en Sismo Máximo

deformaciones locales en 160% El Centro (MCE)

demandas de deformaciones locales

W-1 W-2 W-3

picos espectrales en T = 0.27 and 0.38 seg

la probeta “difícil” se comportóbien . . .

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la probeta llegó al Sismo Máximo ( 160% El Centro )

ensayo en mesa vibratoria de la probeta “difícil” más alládel Sismo Máximo

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observaciones selectas másallá del Sismo Máximo( probeta “difícil” )

160 % El Centro ( más allá del Sismo Máximo ) PGA = 0.92 g , deriva máxima en planta baja del 1.89 % rótula a flexión en W-1 ; deterioro severo cortante en

W-2 ; W-3 experimentó rótula a flexión en un sentido , y rótula cortante en otro sentido

grietas observadas en planta baja 48



9

segmentos de muro excedieronsus capacidades esperadas de deformación inelástica

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Wall W - 2 se dominópor cortante , excediódeformación del 2%

Wall W - 3 se dominó porflexión en un sentido y porcortante en otro sentido ,

excedió deformación del 1%

Wall W - 1 se dominópor flexión , excediódeformación del 1%

puntos importantes de esta ponencia

el diseño por fuerzas no siempre funciona bien para estructuras tipo muro cortante , incluyendo las de mampostería reforzada

el diseño por desplazamientos sí funciona para producir estructuras de mampostería reforzada que se comportan en forma confiable es sismos fuertes es más consistente y transparente que el

diseño puramente con base en fuerzas es idóneo para oficinas con experiencia

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Comportamiento y Diseño de Estructuras de … y Diseño de Estructuras de Mampostería Reforzada para Vivienda Richard E. Klingner (Universidad de Texas en Austin, Universidad de