Sistemas de Muros de Ductilidad Limitada

5/25/2018 Sistemas de Muros de Ductilidad Limitada.....

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA

MUROS DE DUCTILIDAD LIMITADA

MUROS CON DUCTILIDAD LIMITADA

1. Introduccin

En la actualidad existe una gran demanda de vivienda en nuestro pas, por lo que en losltimos aos se ha promovido la construccin de viviendas de bajo costo. Estasedificaciones tienen muros de concreto armado de 10 cm de espesor y su altura varanormalmente entre cinco y siete pisos.

Estas estructuras son llamadas Edificios de Muros de Ductilidad Limitada (EMDL), debidoprincipalmente a dos razones: sus muros no poseen ningn confinamiento en susextremos, dado que por su espesor es imposible usar estribos, y porque el refuerzo quegeneralmente se usa son mallas electrosoldadas de poca ductilidad. Estas doscondiciones impiden que los muros puedan desarrollar desplazamientos inelsticosimportantes.

Entre sus principales caractersticas arquitectnicas tenemos que son edificaciones depoca altura (entre 5 y 7 pisos) con pisos tpicos con el fin de optimizar el procesoconstructivo y todos los muros son portantes. Por otro lado, entre sus desventajas, se hanregistro por parte de sus usuarios problemas trmicos y acsticos.

En cuanto a sus caractersticas estructurales, presentan generalmente una platea deespesor entre 20 y 25 cm como cimentacin; gran densidad y simetra en los muros,cuyos espesores varan entre 10 (espesor mnimo indicado por la Norma Peruana deEdificaciones), 12 y 15 cm; y las losas de piso son macizas con espesores de 10 y 12 cmcon ensanches para permitir el paso de tuberas.

2. Objetivos

Analizar los sistemas en edificaciones con muros de ductilidad limitada.

Analizar el costo beneficio de una edificacin y sus desventajas.


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3. DESARROLLO DEL TEMA.

SISTEMAS DE MUROS DE DUCTILIDAD LIMITADA

1. DEFICION DEL SISTEMA:

Es un sistema estructural donde la resistencia ante cargas ssmicas y cargas degravedad, en las dos direcciones, est dada por muros de concreto armado que nopueden desarrollar desplazamientos inelsticos importantes. Los muros son de espesoresreducidos, se prescinde de extremos confinados y el refuerzo vertical se dispone en unasola hilera. Los sistemas de piso son losas macizas o aligeradas que cumplen la funcinde diafragma rgido.

2. IMPORTANCIA DEL SISTEMA

El sistema de Muros de Ductilidad Limitada en la actualidad est siendo muy utilizado enel Per, debido a la facilidad que la industrializacin ha trado para este sistema, medianteel uso de encofrados metlicos estructurales y el uso de concreto premezclado, haciendoms gil y econmico el proceso constructivo de las obras; adems el uso de muros deconcreto nos asegura que no se produzcan cambios bruscos de las propiedadesresistentes y principalmente de las rigideces.

3. CONCEPTOS BASICOS.

a. Muros estructurales

Este tipo de muros son tambin llamados muros de corte debido a que en sistemasduales, como los que se emplean frecuentemente en el pas, estos toman una granfraccin de la fuerza lateral que toma el edificio.. Debido a esto se genera una confusincon respecto a su respuesta estructural ya que se asume que una falla de corte controlasu comportamiento, lo cual no es del todo acertado.

Segn el RNE E.030 Art. 12 Tabla 6, se pueden definir tres tipos de sistemasestructurales: aporticado, dal y de muros estructurales, cada uno definido en base alporcentaje que toma cada tipo de elemento, presentado en el siguiente cuadro:

Sistema Estructural V muro V prtico

Prticos < 0.20 V > 0.80 V

Dual < 0.75 V > 0.25 V

Muros Estructurales > 0.80 V < 0.20 V


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El informe concierne el sistema de muros estructurales nicamente, es decir, los murostoman 80% o ms de la fuerza cortante actuante sobre la estructura.

b. Tipos de falla en el muroLos muros portantes pueden fallar de diversas maneras y se han identificado distintas

respuestas en muros de concreto armado. Estas incluyen estados de lmite de flexin,traccin diagonal, compresin diagonal (aplastamiento del alma), compresin en lostalones y pandeo del refuerzo, corte-deslizamiento y pandeo fuera del plano del muro.En la siguiente figura se pueden apreciar diversos tipos de falla donde las acciones sobreel muro, (a), generan diversas fallas: (b) flexin, (c) traccin diagonal, (d) corte-deslizamiento y (e) deslizamiento en la base.

La respuesta de los muros puede ser dctil o frgil. En general, se busca que la falla quese genere en estos muros, a manera de coincidir con el espritu de la normasismorresistente, sea controlada por flexin. Si gobierna la flexin se forma una rtulaplstica en la base, fluye el acero longitudinal, disipa energa debido a la deformacinplstica de las barras longitudinales, por lo tanto es muy posible que se requieraconfinamiento en el borde para proveer la ductilidad requerida al permitir un niveladecuado de deformacin en compresin en el concreto.

Cuando la respuesta es frgil, los mecanismos de disipacin son diferentes, son pordeslizamiento en la base y por degradacin del concreto, esto implica menorescapacidades de ductilidad, pero tambin importantes disminuciones de rigidez y, por lotanto, para respuestas basadas en resistencia, importantes reducciones en la demanda.Segn el FEMA 306, que es una norma encargada de evaluar los daos a los que sonsometidas las estructuras de hormign, de la pared de los edificios,se identifican 5 tiposde componentes de muros a travs de una combinacin de anlisis terico y daosobservados. La asignacin del tipo de componente se basa en la identificacin del estadolmite que gobierna para deformaciones laterales no-lineales. De esta forma se hanagrupado dos tipos principales de falla, las respuestas con alta capacidad de ductilidad ylas respuestas con ductilidad limitada.

c. Ductilidad


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Ductilidad se denomina a la habilidad de una estructura, de sus componentes o de susmateriales de sostener, sin fallar, deformaciones que excedan el lmite elstico, o queexcedan el punto a partir del cual las relaciones esfuerzo vs. deformacin ya no sonlineales. Es importante que cuando excedan el lmite elstico tengan un recorridoimportante en el rango inelstico sin reducir su capacidad resistente.

El concepto de ductilidad es sumamente importante en zonas ssmicas debido a queminimiza daos y asegura la conservacin de los edificios (dentro de las solicitaciones enlas que incurrira el edificio durante su vida til); brindando as la seguridad y el tiemponecesario para minimizar prdidas humanas y materiales en caso de sismo.

Dependiendo del parmetro usado, existen diferentes definiciones de ductilidad. Existenlos siguientes tipos de ductilidad: de curvatura, de rotacin, de desplazamiento y dedeformacin > > > .

Por ejemplo, para que los muros desarrollen ductilidad los extremos deben ser confinadossiguiendo los siguientes criterios, esto segn FEMA 306.

Cabe resaltar que el objetivo del confinamiento es el de dar una capacidad dedeformacin al muro: ductilidad para disipar energa.

- Muros con c 0.15lw y l 400 / f ye: No es necesario confinamiento- Muros con c 0.15l wy l > 400 / f ye: Confinamiento es necesario- Muros con c > 0.15l w: Confinamiento es necesario

Los muros que no cumplen con los criterios antes mencionados para desarrollo deductilidad pero que tienen algn refuerzo en los extremos en la zona de la rtula plstica,espaciadas a no ms de 10d by con dimensiones c 0.20l w, pueden ser consideradoscomo de ductilidad limitada ( 2 5);donde c es la distancia al eje neutro.

c.1. Respuestas con Alta Capacidad de Ductilidad (Flexin)

En esta situacin el Estado Lmite que se presenta se inicia con la fluencia del acerolongitudinal, cuando ladeformacin de este alcanza el rgimen plstico, conlleva a quelasdeformaciones unitarias en la fibra en compresin del concreto lleguen avalores de0.003 o 0.004 y, por lo tanto, la necesidad de confinar sea ineludible. Asimismo, losestribos en el confinamiento previenen el posiblepandeo de las barras longitudinales.

En esta situacin, la curva esfuerzo-deformacin del acero debe de tener un claroregimen plstico que permita la aparicin de la ductilidad requerida por las solicitacionesde flexin en el muro.

c.2 Respuestas con Ductilidad LimitadaPara muros en esta situacin, la respuesta estructural puede darse en los siguientesestados: corte elstico y corte inelstico, sbito o frgil.

- Corte elsticoSe desarrolla cuando la demanda de corte es menor a la capacidad de corte en laseccin, pero adems esta capacidad es menor que el cortante inherente a la capacidadde flexin. En estos casos el aplastamiento de los talones, el deslizamiento en la base y larotura del acero horizontal y/o vertical es esperado. Sin embargo, si la seguridad ante


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cargas de gravedad o viento estn presentes, esta fractura del acero (que no llega aincursionar en la platea plstica, ya que es cizallado antes) es beneficiosa para elcomportamiento ssmico, ya que implica una reduccin en la demanda de corte y por lotanto acta como un sistema incorporado de aislamiento ssmico en la base.

- Corte Inelstico

Corte sbito o frgil, que implica fallas por traccin en el alma o aplastamiento por cortedel alma. En ambas situaciones, son resultados poco deseados. Esto se ha observadocuando se incluyen barras de anclaje o dowells, con el fin de evitar la falla pordeslizamiento.

4. ANALISIS ESTRUCTURAL

a. Definicin de muros de ductilidad limitada

Se encuentran dentro de los sistemas estructurales de Muros Portantes, sucaracterstica principal consiste en la alta resistencia que poseen debido a la

significativa cantidad de reas de muros estructurales.

Los sistemas para resistir las cargas de gravedad y las cargas laterales de viento osismo, estn compuestos por muros de concreto armado de espesores reducidos,reforzados con acero corrugado convencional en los extremos y malla electro soldadao barras corrugadas en el alma del muro, generalmente en una sola capa de refuerzo,pues los espesores tpicos suelen estar entre los 10 y 15 cm.

Dada a la gran rigidez lateral del Muro de Ductilidad Limitada, estos elementosabsorben grandes cortantes, que a su vez producen grandes momentos.

Si los muros son Esbeltos se comportan como elementos sometidos a flexocompresin

y cortante pudiendo ser diseados bajo la hiptesis bsica de flexin.

b. Requisitos reglamentarios (RNE)

- Cuanta mnima de refuerzo: De acuerdo a la Norma para Edificaciones conMuros de Ductilidad Limitada, la cuanta mnima de refuerzo vertical y horizontalde los muros deber cumplir con las siguientes limitaciones:

Si hm / lm 2 la cuanta vertical del refuerzo no deber de ser menor que lacuanta horizontal. Estas cuantas son indistintamente aplicables a la resistenciadel acero.

c. Diseo por flexin o flexocompresin:


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Para muros esbeltos (H/L1), sern aplicables los lineamientos generalesestablecidos para flexocompresin; se investigar la resistencia en base a unarelacin Carga Axial-Momento.

Teniendo dimensionadas las secciones del muro de corte, el clculo del acero seefectuar simplemente haciendo una iteracin entre las siguientes expresiones:

Donde:Mu = Momento de diseo, calculado por carga muerta y sismo. = Factor de reduccin de resistencia = 0.90fy = Esfuerzo de fluencia a usar.d = Peralte efectivo.a = Profundidad del bloque equivalente en compresin del concreto.

As = rea de acero por flexin.

fc = Resistencia del concreto a la compresin.b = Espesor de la seccin.

Para muros de poca esbeltez (H/L


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Excede de , deber verificarse que el refuerzo en traccin de los extremosprovea un momento resistente por lo menos igual a 1.2 veces el momento deagrietamiento (Mcr) de la seccin (Especificaciones Normativas EMDL)

Donde:

Mcr = Momento de agrietamiento.Ig = Momento de inercia bruta de la seccin.fc = resistencia del concreto a la compresin.Pu = Carga axial ltima.

Ag = rea bruta de la seccin.Yt = Distancia del eje centroidal de la seccin total a la fibraextrema en traccin(sin considerar el refuerzo) o Lw/2

Lw = Longitud del alma de la seccin.

Los muros con refuerzos de corte debidos a la accin de fuerzas coplanaresconsiderando:

Donde = 0.85, Ac representa el rea de corte en la direccin analizada, h lacuanta horizontal del muro y es un valor que depende del cociente entre la

altura total del muro hm (del suelo al nivel ms alto) y la longitud del muro enplanta lm.

Cuando un muro est sujeto a esfuerzos de traccin axial significativa o cuando losesfuerzos de compresin sean pequeos (Nu/Ag


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La fuerza cortante ltima de diseo (Vu) debe ser mayor o igual que el cortanteltimo proveniente del anlisis (Vua) amplificado por el cociente entre el momentonominal asociado al acero colocado (Mn) y el momento proveniente del anlisis(Mua), es decir:

La distancia d de la fibra extrema en compresin al centroide de la fuerzas entraccin del refuerzo se calcular con un anlisis basado en la compatibilidad dedeformaciones; la Norma permite usar un valor aproximado de d igual 0.8 L.

d. Refuerzos de muros

- Refuerzo horizontal por corte: Cuando Vu exceda a Vc, deber colocarserefuerzo horizontal por corte. El rea de este esfuerzo se calcular con la siguientefrmula:

La cuanta h del refuerzo horizontal por corte (referida a la seccin total verticalde concreto de la seccin en estudio), ser mayor o igual a 0.0025. Elespaciamiento del refuerzo horizontal no exceder los siguientes valores:

L/5 3t 45 cm.

El refuerzo vertical deber anclarse en los extremos confinado del muro en formaque pueda desarrollar su esfuerzo de fluencia.

- Refuerzo vertical por corte: La cuanta pv del refuerzo vertical por corte (referidaa la seccin total horizontal del concreto), ser igual a:

Pero necesitar ser mayor que el refuerzo horizontal requerido. El espaciamientodel refuerzo vertical no deber ser mayor que los siguientes valores:

L/5

3t 45 cm.

En caso que Vu se menor que 0.5 Vc, las cuantas de refuerzo horizontal yvertical pueden reducirse a los siguientes valores:

h > 0.0020v > 0.0015


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Cuando el espesor del muro sea igual o mayor a 25 cm el refuerzo por cortevertical y horizontal tendr que distribuirse en dos caras.

e. Criterios de estructuracin:

La experiencia nos indica que un predimensionamiento adecuado consiste enasegurar una densidad de muros en cada direccin de la planta de 50 cm2 porcada m2 techado. (se considera el rea techada total y se evala la densidad en elprimer nivel).

Lo ideal es tener muros de longitudes similares, de tal manera que no hayaconcentraciones de esfuerzos en algunos muros, en algunoscasos se recomiendahacer juntas en muros largos (4.00m) para tener longitudes similares.

Cuando se tienen edificios alargados, es conveniente hacer juntas de separacin,las que tambin ayudan a disminuir los efectos de contraccin y temperatura.

Cuando se tienen estacionamientos en el primer piso o en el stano no esrecomendable usar el sistema de Muros de Ductilidad Limitada pues se tiene unadiscontinuidad y se crea en el primer nivel un piso blando que requerirdesarrollar mucha ductilidad, que no es fcil conseguir, a menos que se idee algnotro mtodo o procedimiento a fin de evitar el llamado piso blando.

f. Calculo de masas y peso de la edificacin:

Para el metrado de cargas de la estructura se consider los Pesos Unitarios delAnexo 1 y cargas vivas mnimas repartidas (Tabla 1) de la norma E.020. Las cargasvivas se detallan en el tem 3.1.2.2 de la presente tesis.

A continuacin se muestra un cuadro con las masas de la estructura.

Peso de la Edificacin (P) = 516.97 ton

El Peso (P) se calcul adicionando a la carga permanente y total de la edificacin el25% de la carga viva, considerando una edificacin de categora C.

g. Criterios para el confinamiento

Se tienen diversos criterios para confinar muros de concreto armado, en este caso sepresentarn los criterios del ACI-318 y de la norma Peruana E- 060.

- Criterios de confinamiento del ACI-318


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Segn el ACI 318-95, se deben emplear elementos de refuerzo en los extremos cuando lafibra extrema del concreto supera esfuerzos de 0.2 f 'c en compresin; se permitedescontinuar el refuerzo una vez que los esfuerzos son menores a 0.15 f 'c. Estos soncriterios basados en resistencia.

A partir del ACI 318-99 se realizaron cambios significativos principalmente al tomar encuenta diseo basado en desplazamiento. Los cambios se relacionan principalmente condefinir el ancho efectivo de la aleta contribuyente para muros L o C, reduccin delsobreesfuerzo en flexin, reduccin de la altura en la cual es necesario el confinamiento ydar requerimientos consistentes con evaluaciones basadas en desplazamientos yesfuerzos.

En el ACI 318-05 se tienen los siguientes criterios de resistencia para el confinamiento.Para muros que no son continuos desde la base, que tienen aberturas y que no presentanuna nica seccin crtica por flexin y carga axial se continua con el criterio de losesfuerzos en compresin en la fibra extrema del concreto (si se supera 0.2 f 'cse debeconfinar y se permite descontinuar cuando estos son menores a 0.15 f 'c). En el caso decriterios por desplazamiento se tiene, para muros continuos desde la base hasta el tope yque presentan una nica seccin crtica por flexin y carga axial se tiene el criterioplanteado por Wallace:

C

En este caso el confinamiento se extender hasta lwo Mu/4Vu.

- Criterios de confinamiento de la norma Peruana NTE. E-060

En el caso de la norma Peruana se tienen los siguientes criterios para los muros deductilidad limitada. En primer lugar, el acero de las barras de refuerzo en los muros, debeser dctil, de grado 60 siguiendo las especificaciones ASTM A615 y ASTM A706.

Se puede emplear malla electro-soldada como refuerzo repartido de los muros de edificioshasta 3 pisos y, en el caso de mayor nmero de pisos, se podr usar mallas slo en lospisos superiores, debindose usar acero que cumpla con las Normas ASTM que se

especifiquen y teniendo un valor de fy=4,200 kg/cm2

.La profundidad del eje neutro, c, de los muros de ductilidad limitada deber satisfacer lasiguiente relacin:

Cuando el valor de c no cumpla con esta inecuacin los extremos del muro debernconfinarse.


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- Comparacin de criterios de confinamiento

Se puede observar el siguiente esquema:

Segn nuestro RNE, cuando la siguiente inecuacin se cumple:

Se deber confinar los muros de ductilidad limitada. Esta expresin es similar a la delACI-318-05 que indica que si

Ser necesario confinar. Sin embargo, esta ltima expresin es vlida si (u / h w)

0.007, en el caso del ACI-318-05 y al tratar de aplicar esta expresin al RNE Norma

E.030, nos encontramos que (m / h m) < 0.005 lo que implica una contradiccin. Lo

anterior se sustenta en que debido a que estos edificios tienen gran rigidez y por ende

desplazamientos pequeos con un patrn casi lineal, la deformacin global o driftglobal, (m / h m)y la deformacin de entrepiso (deriva o drift de entrepiso) son

bastante similares por lo que se puede despreciar esta diferencia. Es decir, la mximadeformacin permitida por la E.030 inhibe el uso de la expresin de la E.060.


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- Criterios de estructuracin:- La experiencia nos indica que un predimensionamiento adecuado consiste en

asegurar una densidad de muros en cada direccin de la planta de 50 cm2 porcada m2 techado. (Se considera el rea techada total y se evala la densidaden el primer nivel).

- Lo ideal es tener muros de longitudes similares, de tal manera que no hayaconcentraciones de esfuerzos en algunos muros, en algunos casos serecomienda hacer juntas en muros largos (4.00m) para tener longitudessimilares.

- Cuando se tienen edificios alargados, es conveniente hacer juntas deseparacin, las que tambin ayudan a disminuir los efectos de contraccin ytemperatura.

- Cuando se tienen estacionamientos en el primer piso o en el stano no esrecomendable usar el sistema de Muros de Ductilidad Limitada pues se tieneuna discontinuidad y se crea en el primer nivel un piso blando que requerirdesarrollar mucha ductilidad, que no es fcil conseguir, a menos que se ideealgn otro mtodo o procedimiento a fin de evitar el llamado piso blando.


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4. CONCLUSIONES

- Los muros de ductilidad limitada vienen siendo muy utilizados en nuestro pas,debido a que permiten que la obra resulte ms econmica y gil en el procesoconstructivo.

- Se identificaron los beneficios que nos brinda la realizacin de unaconstruccin con muros de ductilidad limitada.

5. BIBLIOGRAFIA CONSULTADA.

- http://www.cismid.uni.edu.pe/descargas/confinter/asanbartolome_ppt.pdf

- http://blog.pucp.edu.pe/media/688/20090923-Z-TESIS%20MDL%20vs%20AC.pdf
http://www.cismid.uni.edu.pe/descargas/confinter/asanbartolome_ppt.pdfhttp://www.cismid.uni.edu.pe/descargas/confinter/asanbartolome_ppt.pdfhttp://blog.pucp.edu.pe/media/688/20090923-Z-TESIS%20MDL%20vs%20AC.pdfhttp://blog.pucp.edu.pe/media/688/20090923-Z-TESIS%20MDL%20vs%20AC.pdfhttp://blog.pucp.edu.pe/media/688/20090923-Z-TESIS%20MDL%20vs%20AC.pdfhttp://www.cismid.uni.edu.pe/descargas/confinter/asanbartolome_ppt.pdf

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