Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural - .Para modelar elementos de concreto reforzado, el

  • View
    213

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural - .Para modelar elementos de concreto reforzado, el

  • Sociedad Mexicana de Ingeniera Estructural

    1

    ANLISIS NUMRICO DE TRABES ACARTELADAS DE CONCRETO REFORZADO

    Eber Alberto Godnez Domnguez 1, Arturo Tena Colunga2 y Gelacio Jurez Luna2

    RESUMEN

    Se presenta un estudio numrico de trabes acarteladas de concreto reforzado simplemente apoyadas diseadas para presentar una falla por cortante. Se elaboraron modelos simplificados en los que no se considera el acero de refuerzo empleando el programa SAP 2000. Posteriormente, se desarrollaron modelos ms elaborados de anlisis no lineal en el programa ANSYS en que se modela tanto el acero de refuerzo longitudinal como transversal. Para modelar elementos de concreto reforzado, el comportamiento constitutivo del concreto considera el ablandamiento por deformacin mediante una superficie de dao con diferente umbral en tensin que en compresin, mientras que el endurecimiento del acero de refuerzo se modela con una superficie de plasticidad de von Mises. Se considera adherencia perfecta entre ambos materiales. De los resultados obtenidos y las comparaciones con los resultados experimentales, se concluye que, empleando tanto modelos simplificados como ms elaborados de los elementos estructurales estudiados, es posible predecir de manera aceptable su comportamiento estructural a cortante.

    ABSTRACT

    The results of a numerical study of eight simply supported reinforced concrete haunched beams designed to develop a shear failure under static loading are presented and discussed in this paper. Simplified models in which longitudinal steel reinforcement and stirrups were not considered were developed using SAP2000 software. Also, finite element models were developed using ANSYS software in which longitudinal steel reinforcement and stirrups were included. Softening of concrete due to deformation is taking into account in the selected constitutive models using a failure surface with different peak compressive and tension stresses. Strain hardening of steel reinforcement was considered using the von Mises yield criterion. Perfect bond between materials was assumed. From the results obtained and the comparison with experimental results, it is possible to conclude that using both simplified and detailed finite element models for the haunched beams, it is possible to reproduce in a suitable way their structural behavior in shear.

    INTRODUCCIN

    En Mxico tradicionalmente se han utilizando trabes acarteladas de concreto reforzado (TACR) para la estructuracin de edificios y puentes y recientemente su uso es aun ms frecuente en edificios de mediana altura, como se muestra en la Figura 1, puesto que brindan algunas ventajas sobre las trabes de seccin constante, por ejemplo, aumentar la rigidez lateral, disminuir el peso de la estructura (al requerirse una menor cantidad de concreto), disminuir la altura de entrepiso, facilitar el paso de instalaciones y por aspectos puramente estticos. La principal desventaja de estos elementos es que su habilitado y cimbrado son ms laboriosos respecto a las trabes de seccin constante, lo que reduce el rendimiento del personal encargado de los trabajos en obra y, por consiguiente, aumenta el costo por este concepto (Tena-Colunga 1994, Archundia 2004, Archundia et al. 2005).

    1 Profesor-Investigador, Universidad Autnoma de Chiapas, Campus-I, Blvd. Belisario Domnguez,

    kilmetro 1081, Sin nmero, Col. Tern, 29050, Tuxtla Gutirrez, Chiapas, Mxico, D.F., e-mail: eber.godinez@unach.mx

    2 Profesor-Investigador, Universidad Autnoma Metropolitana Azcapotzalco, Av. San Pablo, 180,

    Azcapotzalco 02200 Mxico, D.F., e-mail: atc@correo.azc.uam.mx, gjl@correo.azc.uam.mx

  • XVIII Congreso Nacional de Ingeniera Estructural Acapulco, Guerrero 2012

    2

    En la Ciudad de Mxico existen edificios importantes que utilizan TACR como solucin estructural (Figura 1), an y cuando los reglamentos de diseo ms utilizados en el pas como las Normas Tcnicas Complementarias para el Diseo de Estructuras de Concreto vigentes (NTCC-04), y el Reglamento del Instituto Americano del Concreto (ACI-318-08), no proporcionan recomendaciones especficas que garanticen un buen comportamiento estructural de estos elementos, ms an si son demandados por acciones ssmicas (Archundia 2004).

    a) Puentes (Perifrico)

    b) Edificios (Legaria y San Joaqun)

    Figura 1. Empleo de trabes acarteladas como solucin estructural en el Distrito Federal Las investigaciones experimentales enfocadas al estudio del comportamiento y determinacin de expresiones de diseo han mostrado que el comportamiento de las TACR difiere del observado en trabes prismticas de seccin constante (Archundia et al. 2005, Tena-Colunga et al. 2008). Por lo anterior, resulta evidente la necesidad de desarrollar programas experimentales-analticos para estudiar el comportamiento a cortante y flexin de estos elementos de seccin variable. El presente estudio se enfoca en el modelado numrico de trabes acarteladas de concreto reforzado simplemente apoyadas diseadas para presentar una falla por cortante. Lo anterior se realiza complementariamente a los trabajos experimentales reportados en Archundia (2004) y Archundia et al. (2005), evaluando la capacidad de los modelos analticos empleados (simples y complejos) para predecir la respuesta de las TACR. Se modelaron ocho trabes acarteladas, de las cuales se cuenta con la informacin derivada del programa experimental de referencia (Archundia 2004, Archundia et al. 2005, Tena-Colunga et al. 2008). De los ocho especmenes estudiados, cuatro carecen de refuerzo transversal y el resto, idnticos a los primeros, cuentan con un refuerzo mnimo por cortante. Los ngulos de acartelamiento () considerados por los autores de referencia son 3.07, 6.12, 9.13 y 12.10. La longitud de las cartelas es de un tercio del claro efectivo, lo cual es casi una constante en los edificios construidos tradicionalmente en la Ciudad de Mxico, como lo indica Tena-Colunga (1994). Como primera etapa, se elaboraron modelos simples de anlisis en los que no se considera el acero de refuerzo, y se realizaron anlisis estticos no lineales ante carga montona creciente empleando el programa SAP 2000 en su versin 14 (Wilson 2009). Se seleccion este software ya que es un programa de anlisis estructural con gran aceptacin dentro del gremio de la ingeniera estructural en Mxico con la capacidad de realizar anlisis no lineales simples, adems de contar con una agradable interfaz grfica. Posteriormente, se desarrollaron modelos ms complejos de anlisis no lineal en el programa ANSYS (ANSYS 2009) en que se considera tanto el acero de refuerzo longitudinal como transversal.

  • Sociedad Mexicana de Ingeniera Estructural

    3

    De los modelos estudiados tanto en el programa SAP2000 como en ANSYS, se obtuvieron las curvas cortante-deflexin al centro del claro, y en el caso de los modelos de elementos finitos desarrollados en ANSYS se obtuvieron tambin las trayectorias de agrietamiento. Del conjunto de resultados obtenidos y las comparaciones con los resultados experimentales, se concluye que, empleando tanto modelos simples como complejos, es posible predecir de manera aceptable su comportamiento estructural.

    BREVE DESCRIPCIN DE LOS ESTUDIOS EXPERIMENTALES DE REFERENCIA

    GEOMETRA Y CONDICIONES DE CARGAS

    En la fFigura 2 se muestra la geometra y cargas consideradas en los especmenes estudiados durante el programa experimental reportados en Archundia 2004, Archundia et al. 2005 y Tena-Colunga et al. 2008, mismos que se utilizaron en la elaboracin de los modelos matemticos desarrollados en esta investigacin. Los elementos cuentan con una longitud total de 330 cm, con un claro efectivo, l, de 280 cm, el ancho, b, es constante para todas las trabes y es de 22 cm. El peralte total mximo, que corresponde a los extremos es siempre hmax=45 cm y el que corresponde al tercio medio vara en hmin=45, 40, 35, 30 y 25 cm (fFigura 2). Las cartelas de los elementos tienen una longitud de un tercio del claro efectivo de las trabes, es decir, 93.30 cm. Las cartelas se dispusieron en los tercios extremos del claro efectivo. La longitud de apoyo es de 25 cm en cada extremo. Los especimenes probados corresponden a trabes simplemente apoyadas con cargas concentradas en los tercios medios. Debido a que el programa experimental de referencia contempla una etapa posterior en que se ensayarn trabes similares a las presentadas en este estudio, pero aplicando cargas cclicas, los puntos de aplicacin de las cargas se recorrieron 10 cm de los tercios medios hacia el centro de las trabes, con la finalidad de facilitar la aplicacin de las cargas sobre las trabes en la seccin prismtica. Esta consideracin fue tambin tomada en cuenta durante el modelado (Figura 2).

    = 0, 3.06, 6.12, 9.13 y 12.10

    25

    25

    25

    25

    93.3 93.3 93.3

    280

    330

    5

    a = 108.310

    [cm]

    hmax

    = 4

    5

    V V

    hmin

    = v

    aria

    ble

    (45,

    40,3

    5,30

    and

    25)

    5

    Figura 2. Geometra y cargas de los especmenes ensayados (adaptada de Tena-Colunga et al. 2008)

    CRIPTOGRAMA UTILIZADO EN LOS ESPECMENES DE PRUEBA

    Para realizar comparaciones directas de los resultados derivados de los anlisis numricos contra los resultados experimentales, para la identificacin de los ocho elementos estudiados segn su refuerzo longitudinal, refuerzo transversal, ngulo de acartelamiento, falla esperada y tipo de carga aplicada, se emple el mismo criptograma (nomenclatura) considerado en los estudios experimentales de referencia (Figura 3). Con base en lo propuesto por Archundia (2004) y Archundia et al. (2005), el criptograma est formado por ocho caracteres, de los cuales lo