Estudio del comportamiento de estructuras de hormigón armado con perfiles metálicos completamente embebidos

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(1)ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN ARMADO CON PERFILES METÁLICOS COMPLETAMENTE EMBEBIDOS. Isaac Montava Belda.

(2) DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR. ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN ARMADO CON PERFILES METÁLICOS COMPLETAMENTE EMBEBIDOS. ISAAC MONTAVA BELDA. Tesis presentada para aspirar al grado de DOCTOR/DOCTORA POR LA UNIVERSIDAD DE ALICANTE. DOCTORADO EN INGENIERÍA DE MATERIALES, ESTRUCTURAS Y TERRENO: CONSTRUCCIÓN SOSTENIBLE. Dirigida por: RAMÓN IRLES MAS.

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(4) AGRADECIMIENTOS. A mi director de tesis y tutor D. Ramón Irles, por poner a disposición de esta tesis todos sus conocimientos, por su paciencia, por su entusiasmo, por el estímulo para investigar y por la confianza depositada. Al Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Alicante, por la oportunidad que me ha ofrecido. A mis compañeros del departamento: Antonio Gonzalez, Juan Carlos Pomares, Salvador Ivorra, Enrique Segovia, Antonio Maciá, Cesar García y especialmente a Luis Estevan e Ismael Vives. Al Departamento de Mecánica de los Medios Continuos y Teoría de las Estructuras del Campus de Alcoi de la Universidad Politécnica de Valencia, por sus ánimos. A mi familia y a mis amigos, por todo.. Gracias a todos.. Isaac Montava Belda.

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(6) "Quan surts per fer el viatge cap a Ítaca, has de pregar que el camí sigui llarg, ple d'aventures, ple de coneixences. Has de pregar que el camí sigui llarg, que siguin moltes les matinades que entraràs en un port que els teus ulls ignoraven, i vagis a ciutats per aprendre dels que saben. Tingues sempre al cor la idea d'Ítaca. Has d'arribar-hi, és el teu destí,... " -Kavafis-. "Si buscas resultados distintos, no hagas siempre lo mismo" -Albert Einstein-.

(7) Dedicat a Lliris, Jaume i Aitana..

(8) ÍNDICE.

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(10) Índice. CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN .................................................. 13 1.1.- Introducción ..................................................................... 15 1.2.- Objetivos........................................................................... 16 1.3.- Metodología...................................................................... 17 CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO ........................ 19 2.1.- Introducción a las estructuras de hormigón armado con perfiles metálicos completamente embebidos................. 21 2.1.1.- Estudios realizados......................................... 21. 2.1.2.- Ejemplos de estructuras de hormigón armado con perfiles metálicos completamente embebidos. 40 2.1.3.- Ventajas e inconvenientes...................................... 44 2.1.4.- Diseño sismorresistente......................................... 45 2.1.5.- Comportamiento de las estructuras frente acciones sísmicas…………..….............................. 47 2.2.- Introducción al cálculo no lineal........................................ 49 2.2.1 Cálculo no lineal.................................................... 49 2.2.2. Tipos de análisis.................................................... 50 2.2.3. Métodos de análisis no lineales.............................. 51 2.2.4. Proceso iterativo del tipo Newton-Raphson .......... 54 2.3.- Comportamiento de las estructuras de hormigón armado con perfiles metálicos completamente embebidos........... 56 2.3.1.- Hormigón.............................................................. 56 2.3.2.- Acero corrugado................................................... 58.

(11) 2.3.3.- Acero estructural................................................... 59 2.3.4. Adherencia entre el hormigón y acero.................... 60 2.3.5. Estructuras de hormigón armado con perfiles metálicos completamente embebidos.............................. 60 2.4.- Comportamiento de las secciones...................................... 64 2.4.1.- Comportamiento no lineal de las secciones.......... 66 2.4.2.- Situaciones de rotura............................................. 70 2.5.- Comportamiento de las barras............................................ 73 2.6.- Comportamiento de la estructura........................................ 75 2.7.- Ductilidad........................................................................... 76 2.8.- Normativa........................................................................... 82 2.8.1.- Normativa recomendada........................................ 82 2.8.2.- Normativa de obligado cumplimiento en España. 86 CAPÍTULO 3. ESTUDIO EXPERIMENTAL.................................. 89 3.1.- Justificación de los ensayos realizados............................... 91 3.2.- Ensayos realizados............................................................. 96 3.3.- Desarrollo del trabajo........................................................ 104 3.3.1. Introducción........................................................... 104 3.3.2. Prototipo P03......................................................... 106 3.3.3. Prototipo P04......................................................... 110 3.3.4. Prototipo P05......................................................... 116 3.3.5. Prototipo P06......................................................... 119 3.3.6. Prototipo P07a....................................................... 124 3.3.7. Prototipo P07b....................................................... 128 3.4.- Interpretación de los resultados........................................ 132.

(12) CAPÍTULO 4. ANÁLISIS MEDIANTE MODELOS DE ELEMENTOS FINITOS ................................................................ 141 4.1.- Introducción..................................................................... 143 4.1.1 Objetivos ............................................................... 143 4.1.2 El método de elementos finitos............................. 144 4.1.3 Modelos generados................................................ 146 4.1.4 Descripción de los materiales................................ 149 4.2. Modelo 1. Modelo sólido con Ansys APDL...................... 153 4.2.1 Descripción del modelo 1....................................... 153 4.2.2 Viga P03 de HA...................................................... 154 4.2.3 Viga P04 de HAA................................................... 160 4.2.4 Viga P05 de HA ..................................................... 165 4.2.5 Conclusiones de la simulación............................... 169 4.3.- Modelos de barras equivalente con Ansys APDL............. 171 4.3.1 Relación M- no lineal...………………................ 171 4.3.2 Modelo 2. Viga 2d.....................……...................... 172 4.3.2.1 Viga P03 de HA. ........................................ 172 4.3.2.2 Viga P04 de HAA....................................... 174 4.3.2.3 Viga P05 de HA ......................................... 176 4.3.3 Modelo 3. Pórtico 2d ..............……........................ 177 4.3.3.1 Sección P03 de HA. ................................... 177 4.3.3.2 Sección P04 de HAA.................................. 180 4.3.3.3 Sección P05 de HA .................................... 186 4.3.3.4 Sección P05 de HA + P04 de HAA(nudos) 189 4.3.4 Modelo 4. Pórtico 3d ...........….......................................... 192.

(13) 4.3.4.1 Sección P03 de HA. .................................... 192 4.3.4.2 Sección P04 de HAA................................... 195 4.3.4.3 Sección P05 de HA ..................................... 197 4.3.4.4 Sección P05 de HA + P04 de HAA(nudos) 199 CAPÍTULO 5. CONCLUSIONES ................................................... 205 5.1.- Conclusiones...................................................................... 207 5.2.- Líneas futuras de investigación.......................................... 211 CAPÍTULO 6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS................... 213 ANEJOS.............................................................................................. 223 ANEJO 1 Cálculos de la resistencia de los prototipos........................ 225.

(14) CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN. CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN. 13.

(15) CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN. 14.

(16) CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN. 1.1.- Introducción. En la presente tesis se analiza el comportamiento de los nudos de las estructuras de hormigón armado con perfiles metálicos embebidos. Si el hormigón da cuerpo al acero y la armadura da fibra al hormigón, el perfil metálico ata el nudo. Las estructuras de hormigón armado con perfiles metálicos embebidos son un tema ampliamente investigado en países como Japón que sufren seísmos de elevada intensidad, ya que mejora considerablemente el comportamiento de las estructuras en caso de seísmo. Sin embargo apenas ha sido estudiado en países como España. La solución de reforzar únicamente el nudo, que es el punto donde más sufre la estructura en caso de sismo, se presupone mucho más económica y eficiente en comparación a la opción de reforzar toda la estructura de hormigón armado con perfiles metálicos embebidos. Encontrar estructuras en que se mejore la resistencia a cargas sísmicas puede llegar a trasladarse a las infraestructuras y edificios estratégicos cuya funcionalidad deseamos garantizar en caso de seísmos de muy elevada intensidad. La presente Tesis profundiza en un tema especialmente sensible en nuestra sociedad, y es el análisis sismorresistente de las estructuras. Nuestra sociedad no acepta la cantidad de pérdidas humanas que puede ocasionar un terremoto, y exige que las estructuras que se diseñan sean cada vez más seguras y duraderas. Contribuir al diseño sismorresistente con estructuras de hormigón armado muy dúctiles gracias a los perfiles metálicos embebidos únicamente en los nudos es el objetivo último de la presente tesis. 15.

(17) CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN. Las estructuras de hormigón armado bien diseñadas presentan una ductilidad elevada, pero la rotura casi siempre es en el nudo, y es necesario analizar un refuerzo capaz de absorber la energía del sismo y evitar la ruina de la estructura aunque ella pueda quedar apreciablemente dañada. Cuanto mayor es la ductilidad, mayor es la absorción de energía del sismo y mayor es la deformación que puede alcanzar sin el colapso total de la estructura.. 1.2.- Objetivos. Los principales objetivos de la presente tesis son los siguientes: -Analizar el comportamiento de estructuras capaces de disipar energía mediante la respuesta en flexión de las regiones críticas de las vigas debido a una ductilidad elevada, obtenida al proyectar estructuras resistentes a acciones cíclicas de alta intensidad, como las sísmicas. -Conocer el incremento de ductilidad, resistencia y la cantidad de energía capaz de disipar un nudo estructural de hormigón armado reforzado con perfiles metálicos completamente embebidos. -Evaluar el uso, aplicación y diseño de soluciones estandarizadas de nudos metálicos que al incluirlos en las estructuras de hormigón armado convencionales sean capaces de mejorar considerablemente la resistencia y ductilidad frente a cargas sísmicas. -Realizar ensayos sobre prototipos que sirvan de referencia para nuevos estudios y simularlas con un programa de elementos finitos. -Evaluar los criterios de utilización de un refuerzo metálico en los nudos de las estructuras de hormigón armado convencionales como alternativa más segura a las estructuras de hormigón armado actuales, especialmente. 16.

(18) CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN. ante solicitaciones sísmicas en estructuras estratégicas e infraestructuras cuya resistencia debemos asegurar frente a acciones sísmicas muy elevadas. -Verificar la capacidad de los modelos tridimensionales con elementos finitos para reproducir el comportamiento real observado en los experimentos y deducir de ellos las relaciones momento-curvatura que incluyan el comportamiento no lineal de las armaduras, del hormigón y, en su caso, los perfiles embebidos. -Explorar la viabilidad del uso de herramientas de cálculo basadas en modelos de barras dotadas de ductilidad a través de dichas relaciones momento-curvatura no lineales, y comparar los resultados para valorar la mejora de ductilidad que se consigue reforzando localmente los nudos con perfiles metálicos. -Abrir una línea de investigación en España que permita generar el debate necesario para la inclusión explícita de esta tipología en los códigos estructurales nacionales y en particular en la normativa sísmica.. 1.3.- Metodología. El procedimiento a seguir para conseguir los objetivos es el siguiente: -Se estudian los elementos de las estructuras de hormigón armado con perfiles metálicos embebidos. Se debe conocer la normativa existente y los estudios realizados. -Con las disponibilidades del laboratorio existente, se realizan diferentes ensayos a escala real de la unión con diferentes situaciones para poder comparar los datos obtenidos y el incremento de ductilidad y de disipación 17.

(19) CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN. de la energía con los refuerzos de perfiles metálicos. Se realizan los ensayos con una carga cíclica en la medida de lo posible a escala real de la unión. -Se realizan ensayos previos con prototipos del nudo, a escala 1:1, para conocer la resistencia y la ductilidad en el comportamiento experimental de un nudo tipo sometido a esfuerzos cíclicos en el pórtico disponible. -Se ensaya una estructura de hormigón armado, y una mixta formada por hormigón armado y un perfil en forma de doble T formado por HEB 100, por un IPE o por un perfil tubular cuadrado relleno de hormigón. Se realizan diferentes prototipos con diferentes soluciones constructivas. -Se analiza la capacidad de modelos numéricos tridimensionales con elementos finitos que simulan armaduras, hormigón y acero estructural, para reproducir los resultados experimentales. -Una vez lograda la simulación satisfactoria de los ensayos, se usan los modelos numéricos para obtener una relación momento-curvatura acorde con el comportamiento experimental, que incluya los efectos de las no linealidades en las barras con perfil de refuerzo local y sin él. -A partir de dichas relaciones se analiza el comportamiento global de pórticos simples, 2D y 3D mediante métodos numéricos con elementos finitos de piezas prismáticas y se evalúa la capacidad de absorción de energía con refuerzo de perfiles y sin él.. 18.

(20) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. 19.

(21) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. 20.

(22) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. 2.1.- Introducción a las estructuras de hormigón armado con perfiles metálicos completamente embebidos. 2.1.1.- Estudios realizados. El inicio del hormigón podemos considerarlo desde las primeras construcciones romanas en las que se utilizaba un mortero con unas características comparables a las del hormigón. Se emplearon tierras o cenizas volcánicas que al combinarse con cal obtuvieron cemento puzolánico. Al añadir trozos de cerámica obtuvieron el primer hormigón aligerado en el que construyeron obras como las termas de Caracalla o el Panteón de Agripa. En 1824 Joseph Aspdin patentó en Inglaterra el Cemento Portland, obtenido de caliza y arcilla, obteniendo un cemento similar a la piedra de la isla de Pórtland. El hormigón, formado por cemento, arena grava y agua, soporta bien los esfuerzos de compresión, pero se fisura con esfuerzos de flexión o tracción. El hierro ha sido usado desde la antigüedad, se han encontrado utensilios de los egipcios fechados alrededor de cuatro milenos antes de Cristo. Como elemento estructural podemos destacar la construcción del primer puente de fundición de hierro en 1776 por John Wilkinson y Abraham Darby. La primera patente de hormigón armado la realiza en 1867 el francés Joseph Monier. En 1894 se construye el Methodist Building de Pittsburgh mediante pilares 21.

(23) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. metálicos recubiertos de hormigón, que tras sufrir un incendio en el 1897 destaca por su buen comportamiento frente al fuego. Es en 1908 cuando aparecen los primeros estudios de elementos hormigónacero en la Universidad de Columbia, y a lo largo del siglo XX son numerosos los estudios en los que se pretende conocer el comportamiento de las estructuras de hormigón armado reforzadas con perfiles metálicos. Desde los primeros ensayos a principios del siglo XX de losas de hormigón con perfiles metálicos embebidos, se observa una buena interacción entre los dos materiales. Desde 1910 se conocen en Japón edificaciones realizadas con estructuras mixtas. Los primeros métodos de cálculo de vigas mixtas se publican en Inglaterra en 1920. En 1936 el American Institute of Steel Construction (AISC) publica la normativa para diseñar vigas mixtas. El Architecural Institute of Japan (AIJ) publica en 1951 la primera normativa para diseñar estructuras mixtas, Steel Reinforced Concrete (SRC). Furlong realiza en 1967 los primeros estudios de pilares mixtos sometidos a flexo-tracción. Los estudios más interesantes y que son el referente en todas las investigaciones posteriores son los realizados a partir de 1973 por Wakabayasi, analizando el comportamiento de estructuras de hormigón armado con perfiles metálicos completamente embebidos. El autor presenta una serie de 10 prototipos en forma de cruz ensayados. Concluye que para su diseño el método de superposición es el más adecuado para predecir el comportamiento elástico de una sección. 22.

(24) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. Concluye que la sección del perfil de acero puede sustitiur parte de las barras de refuerzo del hormigón armado, y que es capaz de disipar mayor energía que en las estructuras de hormigón armado convencionales. Figura 2.1 y 2.2.. Figura 2.1. Sistema y galgas utilizadas en la investigación de Wakabayasi, (1973).. Figura 2.2. Algunos resultados obtenidos en la investigación de Wakabayasi, (1973).. Además de los ensayos bajo cargas estáticas, Mirmiran y Shahawy (1997) estudiaron el comportamiento de probetas confinadas sometidas a cargas estáticas de compresión y sometidas a ciclos de carga – descarga con el. 23.

(25) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. objeto de evaluar la degradación del refuerzo, comprobándose que la respuesta resultaba similar en ambos casos. En la Figura 2.3 se grafía la curva tensión – deformación longitudinal para la probeta de hormigón confinado con capas de materiales compuestos. Comprobaron que la curva obtenida bajo carga estática es aproximadamente la envolvente del trazado para los ciclos de carga – descarga, demostrando que la degradación del refuerzo en estas condiciones no resulta significativa al coincidir la envolvente. (Estevan García, 2010). Figura 2.3. Diagrama tensión – deformación bajo ciclos de carga – descarga (Mirmiran y Shahawy, 1997). Otra importante conclusión que llegó en las investigaciones Mirmiran y Shahawy es que las secciones cuadradas son mucho menos eficaces que las circulares a efectos de confinamiento, Figura 2.4. En las secciones rectangulares la presión de confinamiento varía desde las esquina con un valor máximo a un valor mínimo en el centro de las caras, mientras que las secciones circulares el confinamiento es uniforme y depende del tipo de sección.. 24.

(26) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. Figura 2.4. Esquema de confinamiento en secciones circulares y rectangulares (Mirmiran y Shahawy, 1997). Gioncu y Petcu (1997) estudiaron la capacidad de rotación de vigas en doble T y nudos vigas-columna, a partir de un mecanismo local plástico. Elaboraron un software informático para determinar la capacidad de rotación de las vigas y se compararon con los ensayos expetimentales mostrando una buena correspondencia. En estas investigaciones emplearon vigas estándar en dos tipos de estructuras, vías de acero continuas y entramados momento-resistentes. Las investigaciones de T. Wilkinson y G.J. Hancock (1998) concluyen que tras realizar ensayos a flexión de secciones rectangulares de Clase 1 no se demuestra una capacidad de rotación adecuada para el diseño plástico. Definen la capacidad de rotación en función de la curvatura de la sección y su curvatura plástica, siendo su expresión la siguiente: R. K Kp. Kp . Mp EI. M p es el momento plástico, y EI la rigidez elástica de la sección.. 25.

(27) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. En una gráfica momento-curvatura, figura 2.5, la capacidad de rotación es. la distancia entre el punto donde se alcanza el momento plástico de la sección y el punto de intersección entre la rama horizontal y de descarga de la curva.. Figura 2.5. Clases y comportamiento de perfiles. Wilkinson y G.J. Hancock (1998). La tesis doctoral de Beatriz Gil Rodríguez (2006) estudia el diseño de pórticos de estructura mixta con uniones semi-rígidas, realizando cuatro ensayos experimentales para conocer el comportamiento de la unión y poderlo comparar con el modelo de elementos finitos realizando con el programa Abaqus. Tal como indica el eurocódigo, el método más eficiente para el análisis global de la estructura con uniones semi-rígidas es el método de los componentes y que tiene en cuenta todos los modos de deformación de la unión y los esfuerzos que inciden en ella. Ester Giménez Carbó (2007) analiza en su tesis doctoral sobre los soportes de hormigón armado reforzados con perfiles metálicos sometidos a esfuerzos de compresión simple. Realiza una exhaustiva revisión. 26.

(28) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. bibliográfica en el campo de los soportes de hormigón armado reforzados. El refuerzo con angulares mejora la resistencia y la ductilidad del elemento, siendo una solución satisfactoria de refuerzo de estructuras de hormigón armado para mejorar su comportamiento en caso de sismo. Es interesante la conclusión de que es necesario realizar un estudio exhaustivo del comportamiento del nudo en estructuras reforzadas con un capitel para mejorar la transmisión de cargas entre la viga y el soporte. La colocación del capitel puede aumentar las tensiones en el hormigón de la viga y provocar su rotura. Muchas estructuras de hormigón armado colapsan debido al deficiente diseño en los nudos entre los pilares y las vigas. Las investigaciones de K. M. Mosalam et al.(2008) tras el terremoto de Turquía de 1999, figura 2.6, revelan que el uso de FRP como refuerzo de los nudos puede mejorar considerablemente el comportamiento de estas estructuras, especialmente los nudos exteriores que son más vulnerables que los interiores.. Figura 2.6. Vista del edificio y detalle del daño en nudo viga-columna. K.M. Mosalam et al.(2008). 27.

(29) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. El refuerzo de los nudos con materiales compuestos mejora el comportamiento de los nudos tras sufrir daños. Figura 2.7.. Figura 2.7. Comportamiento de nudos externos viga-columna con deficiente armado, y tras su refuerzo con GFRP (Glass-Fiber Reinforced Plastic). M. Mosalam et al.(2008). Los ensayos de perfiles metálicos embebidos mejoran considerablemente el comportamiento de los nudos. K. M. Mosalam recomienda el método de superposición que es el utilizado ampliamente en Japón al ofrecer un valor límite inferior al real. Cheng-Cheng Chen et al. (2009) realiza diferentes estudios del comportamiento de los nudos de hormigón armado con perfiles metálicos embebidos. Se trata de un programa experimental de cinco nudos a escala real, figura 2.8 con carga cíclica. Se comprobó que los nudos de hormigón armado con acero (SRC) disipan mejor la energía. El método de 28.

(30) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. superposición es capaz de estimar la resistencia del nudo con gran precisión.. Figura 2.8. Tipos de nudo viga columna de la serie de ensayos experimentales de ChengCheng Chen (2009).. En estos ensayos experimentales,. podemos comprobar los diferentes. nudos ensayados que se pueden encontrar en diferentes situaciones estructurales, estando inspirada en la solución e) la ensayada en la presente tesis. El dispositivo de ensayo de las figuras 2.9 y 2.10, corresponde a la solución c) en el cual el conjunto se sujeta en los puntos A, B y C mientras que la carga P horizontal se aplica en el extremo superior como movimiento impuesto con sentidos alternativos y amplitud creciente.. Figura 2.9. Ensayo del nudo tipo c), Cheng-Cheng Chen et al. (2009).. 29.

(31) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. Figura 2.10. Gráfica con el comportamiento histerético.Cheng-Cheng Chen et al. (2009).. En la figura 2.11 puede verse el tipo de resultados obtenidos por ChengCheng Chen, con un mejor comportamiento de los nudos de hormigón armado con perfiles de acero embebidos (SRC-XH) frente a los nudos de hormigón armado (S-XH).. Figura 2.11. Gráfica con el comportamiento histerético.Cheng-Cheng Chen et al. (2009).. Es destacable la tesis de Budi Suswanto (2009) en la que analiza el comportamiento de ocho nudos diferentes, cuatro de Hormigón Armado con Acero en pilar y vigas (SRC), tres de Hormigón Armado con Acero en 30.

(32) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. pilares y acero en vigas (SRCS), y un nudo de acero en pilares y vigas(S). Los ensayos se realizan con cargas cíclicas verticales. Destacan las gráficas momento-curvatura obtenidas numéricamente en el programa XTRACT Analysis Report, en las que a partir de las características de una sección obtiene dicha gráfica, Figura 2.12.. Figura 2.12. Gráfica momento-curvatura obtenidas numéricamente a partir de las características de una sección. Budi Suswanto (2009).. Tian-Yi Song et al. (2009) estudian el comportamiento de los nudos de hormigón armado con acero tras ser expuesto a elevadas temperaturas, concluyendo que el hormigón protege al acero, el cual mejora considerablemente su comportamiento frente al fuego. La tesis doctoral presentada por Ernesto Fenollosa Forner (2011) es de 31.

(33) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. especial interés al analizar el comportamiento de soportes mixtos sometidos a flexocompresión esviada. Destaca el análisis desde el punto de vista de la sección, la barra y la estructura y el desarrollo de un módulo de dimensionamiento para los soportes mixtos. Los estudios de Anastasiadis, Mosoarca y Gioncu, (2012) facilitan la comprensión de la relación de la capacidad de rotación de una viga en función de la ductilidad de ésta. Figuras 2.13, 2.14 y 2.15. Los autores estudian la capacidad de rotación de vigas de ala ancha, sus características mecánicas y analizan los mecanismos de colapso dentro o fuera del plano del alma. Se pueden considerar dos descripciones de ductilidad, por capacidad de curvatura de la sección o por capacidad de giros entre extremos de un tramo de barra. Se puede así clasificar por clases de la sección transversal como en el eurocódigo 3, clase 1 o sección plástica, clase 2 o sección compacta, clase 3 o sección semi-compacta y clase 4 o sección esbelta; y se puede clasificar según la ductilidad de la barra, Alta Ductilidad (HD), Media Ductilidad (MD) y Baja Ductilidad (LD). Esta última clasificación se revela como la más adecuada para garantizar la capacidad de redistribución de esfuerzos y absorción de energía.. Figura 2.13. Tipos de ductilidad, sección transversal y barra. A. Anastasiadis et al.(2012).. 32.

(34) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. Figura 2.14. Gráfica Momento-Curvatura en diferentes secciones. A. Anastasiadis et al.(2012).. Figura 2.15. Gráfica Momento-Rotación de barras. A. Anastasiadis et al.(2012).. Investigaciones como la de Shi et al.(2012), desvelan el buen comportamiento respecto a durabilidad de las estructuras de hormigón armado con acero en ambientes de cloruro. Se describen diferentes métodos y fórmulas para determinar la difusión del cloruro, ya que las pruebas de permeabilidad a los cloruros consumen mucho tiempo. Se espera que estos métodos ayuden a realizar nuevas investigaciones para facilitar el cambio a hormigones ecológicos.. 33.

(35) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. David Hernández Figueirido (2012) estudia en su tesis el comportamiento a pandeo de perfiles tubulares rectangulares de acero rellenos de hormigón de alta resistencia, bajo carga axial y diagrama de momentos variable. Es de interés la descripción de las principales normas técnicas de diversos países para el cálculo de pilares mixtos sometidos a compresión simple y flexo-compresión recta, y el estudio de la influencia de hormigones de alta resistencia en el interior de los perfiles metálicos, permitiendo alcanzar hasta 1’5 veces la carga máxima con respecto a hormigones convencionales, y mejora la ductilidad del sistema al extender la rama de descenso de la carga al aumentar la deformación. C. Zongping et al.(2015), realizan una investigación con 17 especímenes con diferentes soluciones de pilares compuestos de diferentes secciones recubiertas de hormigón armado, figura 2.16, simulando diferentes encuentros de nuevos pilares de hormigón armado y acero especiales, en forma de L, T o cruz.. Figura 2.16. Imágenes de la investigación realizada por C. Zongping et al.(2015).. 34.

(36) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. Los principales modos de fallo de los pilares fueron por cortante o flexión. La rotura última se produjo principalmente en en zona de la sección paralela a la carga, que es donde se absorbe la mayor parte del esfuerzo a flexión. Los coeficientes de ductilidad son superiores a 3, tomados como el cociente del desplazamiento correspondiente a la carga última entre el desplazamiento correspondiente a la carga del límite elástico. Los bucles histéricos obtenidos son simétricos y gruesos en los ciclos iniciales, mientras que las curvas se vuelven estrechas y se reduce la carga en los últimos ciclos. Figura 2.17. Es intesante conocer el esqueleto o envolvente de estas curvas, y poder calcular la ductilidad estructural, ya que es uno de los índices más significativos para evaluar la capacidad resistente frente al sismo.. Figura 2.17. Curvas de histéresis y envolventes de los ensayos de la investigación realizada por C. Zongping et al. (2015).. H. Ma et al.(2015), analizan en su investigación 10 pilares de hormigón armado reciclado con acero (SRRC) con su cimentación a cargas cíclicas 35.

(37) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. laterales que simulan el comportamiento sísmico, figura 2.18. Los pilares cortos sufrían un fallo por cortante frágil, mientras que los pilares largos sufrían fallos por flexión. Todos mostraron un buen comportamiento por ductilidad. El valor medio del factor de ductilidad de los pilares cortos fue de 2’62 mientras que el de los pilares largos fue mayor de 3, siendo mejor el comportamiento sísmico de los pilares largos. Los pilares cortos pueden ser utilizados, pero con un diseño apropiado en relación a sus estribos para mejorar su comportamiento sísmico.. Figura 2.18. Diferentes modos de fallo del perfil metálico. H. Ma et al. (2015).. La investigación realizada por Tonga et al. (2016), es muy parecida a la realizada en la presente tesis, figura 2.19, al analizar el comportamiento de vigas de hormigón armado con acero, en perfiles en H. Debido al buen comportamiento del acero frente a la corrosión, dicho sistema estructural está siendo cada vez más utilizado en la construcción. La investigación con 18 prototipos con diferentes secciones y conectores en los perfiles permite identificar la influencia del espesor de las alas o de los conectores frente a esfuerzos estáticos y de fatiga. Los resultados son similares en ambos casos.. 36.

(38) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. Figura 2.19. Imagen fracturas en carga estática y diferentes modos de fallo del perfil metálico. Tonga et al.(2016). Chen et al. (2016) analizan el hormigón confinado en el interior de pilares de hormigón armado con acero. Formulan un modelo analítico que predice la resistencia a compresión del hormigón confinado en diferentes secciones. Se han realizado 17 especímenes con diferentes secciones de acero y. 37.

(39) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. diferentes hormigones. El efecto del confinamiento debido al perfil metálico es considerable, proporcionando hasta un 20% más de resistencia. El comprotamiento en secciones circulares es mejor, de nuevo, que en secciones cuadradas. En especímenes con hormigón de alta resistencia, área transversal muy grande y armadura de refuerzo elevada, es recomendable utilizar mayor número de cercos para evitar fallos quebradizos y aprovechar el efecto del confinamiento. Figura 2.20.. Figura 2.20. Resultados de los ensayos de Chen et al. (2016).. Yan et al. (2016) estudian el comportamiento de doce nudos formados por pilares de hormigón armado de alta resistencia con acero (SRUHSC) y vigas de hormigón armado con acero (SRC). En esta reciente investigación se propone un modelo simplificado trilineal. Figuras 2.21 a 2.23.. 38.

(40) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. Figura 2.21. Especímenes sometidos a carga cíclica, Yan et al. (2016).. Figura 2.22. Típìca curva de histerésis experimental y típico daño en especímenes sometidos a carga cíclica, Yan et al. (2016).. El estudio analiza las características de las curvas histeréticas e introduce el coeficiente de atenuación para representar los efectos de los daños sísmicos. Propone un modelo considerando el daño sísmico, y compara el modelo de curvas histeréticas con los experimentales. Las ecuaciones de cuantificación del daño sísmico se establecen con los 39.

(41) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. principales factores de control de desplazamiento y número de ciclo. Las curvas experimentales de todos los especímenes pueden simplificarse en un modelo trilineal.. Figura 2.23. Comparación entre el comportamiento experimental y el modelo numérico trilineal, Yan et al. (2016).. 2.1.2.- Ejemplos de estructuras de hormigón armado con perfiles metálicos completamente embebidos. En 1.908 son utilizados perfiles metálicos embebidos en el hormigón armado en la construcción del edificio McGraw en Nueva York, figura 2.24, alcanzando una resistencia mayor que la del hormigón armado. “El uso del acero, en condición de soporte de cargas, así como una larga columna independiente del hormigón, y al mismo tiempo formando un elemento rigidizador para este último, con el consecuente aumento de carga última admisible en el hormigón, redujo el tamaño de los pilares en el sótano y pisos inferiores a unas dimensiones lo suficientemente consistentes con el uso deseado, conveniente y económico del espacio en planta.” (W.H. Burr, 1908) 40.

(42) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. Figura 2.24. Edificio McGraw, sección de pilar y planta, 1908.. En 1913 Emperger presenta en Alemania una columna tipo de hormigón con hierro fundido embebido y gran cantidad de refuerzo horizontal, posteriormente llamada columna Emperger, utilizada en el edificio Ericsson de Viena. Figuras 2.25 y 2.26.. Figura 2.25. Edificio Ericsson, Emperger, Vienna, 1913.. 41.

(43) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. Figura 2.26. Unión pilar-forjado, Edificio Ericsson, Emperger, Vienna, 1913.. En 1.929 se construye el Empire State Building en Nueva York, figura 2.27, con 380 metros de altura, el edificio más alto de Estados Unidos durante 40 años, construido con pórticos metálicos embebidos en hormigón armado.. Figura 2.27. Fases de construcción del Empire State Building, 1930.. En 1.954 el architecto Ludwig Mies Van der Rohe en colaboración con 42.

(44) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. Philip Johnson proyectan y construyen el Seagram Building en Nueva York. Se trata de unos de los edificios más importantes del movimiento moderno, destacando el recubrimiento de hormigón sobre los pilares metálicos para proteger la estructura metálica frente al fuego tal como obligaba la normativa americana del momento. Figura 2.28. Figura 2.28. Edificio Seagram Building en Nueva York, de Ludwing Mies Van der Rohe. (1954).. Columna bronce. Columna acero recubierta de hormigón. Figura 2.29. Detalle del encuentro del muro cortina con el pilar metálico recubierto de hormigón.. 43.

(45) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. En el detalle constructivo se puede observar que Mies utiliza perfiles doble T de bronce a modo de columnas no estructurales para recordar la estructura de acero oculta tras el hormigón. Figura 2.29. El sistema estructural de Hormigón armado con perfiles metálicos completamente. embebidos. está. siendo. utilizado. en. numerosas. construcciones, especialmente en países con alta peligrosidad sísmica como Japón o la costa oeste de Estados Unidos. En la actualidad, es destacable el procedimiento de refuerzo de crucetas de punzonamiento en los nudos de forjados reticulares o losas con perfiles metálicos en cruceta, Figura 2.30. También es usado en las uniones entre forjados de hormigón armado y pilares metálicos. Estos perfiles metálicos son utilizados para resolver un problema de resistencia, no de ductilidad.. Figura 2.30. Detalle de crucetas de punzonamiento, elaboración propia.. 2.1.3.-Ventajas e inconvenientes. Las principales ventajas de las estructuras de hormigón armado con perfiles metálicos embebidos son un aumento considerable de la ductilidad de la estructura y de la resistencia. Los perfiles metálicos se fabrican con 44.

(46) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. acero más dúctil que las armaduras, por lo que su comportamiento frente a acciones sísmicas es mejor. La protección frente al fuego de las estructuras metálicas también es una ventaja a considerar. Por otro lado, el mayor inconveniente es la complejidad en su ejecución, ya que aumenta la mano de obra al introducir un nuevo elemento en la sección y dificultar el vibrado y puesta en obra del hormigón. Este inconveniente al introducir los perfiles metálicos embebidos se compensa con la reducción del número de barras necesario para ejecutar la estructura. No obstante, se considera un proceso constructivo sencillo, en el que tras vibrar el pilar y antes que endurezca el hormigón se coloca el perfil metálico embebido en forma de cruz, soldado en taller según planos. Una vez endurecido, se procede al desencofrado, ejecución del forjado con los nudos metálicos colocados en la posición final, y colocación de la armadura de las vigas y pilares a su alrededor. Siguiendo este proceso constructivo es muy importante la colocación en la posición correcta del perfil metálico embebido. 2.1.4.- Diseño sismorresistente. La capacidad sismorresistente de la estructura de un edificio depende en gran parte de las etapas iniciales del proyecto, en las que se toman decisiones sobre la forma estructural, el tipo de estructura y los materiales. No es correcto posponer las decisiones sobre la estructura a las etapas finales del proyecto, ya que en este supuesto los elementos estructurales se convierten en estorbo y no en los fundamentos del proyecto.. 45.

(47) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. Del mismo modo es erróneo mejorar la capacidad resistente añadiendo resistencia lateral a la estructura que ha sido concebida para resistir fundamentalmente cargas gravitatorias. Según Akiyama (2003),” La Primera Polémica sobre la Flexibilidad y la Rigidez” surge en Japón después del terremoto de Kanto, en la que a partir de los años 60 se plantean la necesidad de añadir a las estructuras de especial importancia gran capacidad de resistencia y rigidez. A partir de finales de los 60 predomina la idea de elevar la flexibilidad al proyectar estructuras de gran altura en regiones de elevada sismicidad. Entre las estructuras muy rígidas y las muy flexibles se encuentran todas las estructuras que podemos proyectar. El último paso fue dotar a los edificios de capacidad de disipación de energía con elementos capaces de absorber gran parte de la energía generada por el sismo, siendo el aislamiento de base con láminas de elastómeros el mejor sistema capaz de absorber los desplazamientos horizontales gracias a su capacidad de deformación elástica y plástica. Existen otros absorbedores metálicos con gran capacidad de absorción de energía debido a su deformación plástica. La presente tesis trata de justificar y cuantificar la forma de disipar la energía en el dominio plástico que debe poseer el edificio gracias a las estructuras mixtas. Al multiplicar la fuerza y el desplazamiento obtenemos una magnitud física conocida como energía, capaz de sintetizar el problema. La ecuación fundamental de la metodología del proyecto sismorresistente basado en el balance de energía es la siguiente: E=We+Wp+Wh 46.

(48) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. E=Imput de energía total. We=energía de vibración elástica. Wp=energía de deformación plástica acumulada. Wh=energía consumida por el mecanismo de amortiguamiento. El término Wp es la energía de deformación plástica acumulada en la estructura. La deformación elástica desaparece al eliminar la carga, mientras que la deformación plástica se va acumulando hasta alcanzar la situación de colapso, y representa el daño en la estructura. 2.1.5.- Comportamiento de las estructuras frente acciones sísmicas. Si analizamos detenidamente una estructura de hormigón armado que ha sufrido el colapso debido a una fuerte carga sísmica, podemos concluir que los nudos son los puntos de la estructura que primero suelen colapsar; por ello es necesario mejorar la ductilidad y la resistencia de los nudos en las estructuras de hormigón armado. Es sorprendente la capacidad de resistencia sísmica de los edificios en Japón, debido principalmente a la utilización sistemática de los perfiles embebidos en las estructuras de hormigón y a la utilización de disipadores de. energía. al. aplicar. la. normativa. Japonesa. sismorresistente,. (Wakabayashi, 1988). Se ha podido comprobar en el terremoto de la costa de Hounsu en Japón el 11 de marzo de 2011 el excelente comportamiento sismorresistente de los edificios construidos en los últimos años, frente a la destrucción del Tsunami provocado por el sismo. Sorprendente es también la poca acogida y difusión que ha tenido hasta la 47.

(49) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. fecha el sistema estructural de perfiles metálicos embebidos en estructuras de hormigón armado en las construcciones de Europa, en comparación al uso generalizado en Japón. Es cierto que las solicitaciones sísmicas son mucho mayores en Japón, donde las estructuras deben resistir terremotos de magnitud siete o superior, pero en ciertos edificios singulares y especialmente en los de uso público es imprescindible asegurarse la resistencia estructural frente a una acción sísmica no prevista en nuestras normativas actuales. Hospitales, centros de emergencia, edificios de bomberos, garajes de ambulancias, centrales nucleares, colegios y otros edificios, deberían estar calculados para soportar posibles catástrofes más o menos severas, contemplando periodos de retorno superiores a los normalmente considerados. Este sistema estructural puede encarecer muy poco el conjunto de la obra frente a la importancia de asegurar su resistencia estructural al ser solicitado por una acción sísmica severa. Tras el terremoto de Lorca el 11 de Mayo de 2011, figura 2.31, se ha podido comprobar que las estructuras actuales de hormigón armado sufrieron mayores daños de los deseables. La rotura de los nudos ha sido el daño más destacable, pudiéndose haber evitado con la colocación de perfiles metálicos completamente embebidos en los nudos.. 48.

(50) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. Figura 2.31. Imágenes de daños en las cabezas de los pilares, Lorca, 2011, elaboración propia.. 2.2. Introducción al cálculo no lineal. 2.2.1 Cálculo no lineal. El comportamiento mecánico de muchas estructuras de la naturaleza frente a acciones no muy severas es fundamentalmente elástico, siendo un comportamiento lineal en el que muchos fenómenos son la suma de varios fenómenos independientes. La Elasticidad representa una importante y fundamental herramienta para llegar a solucionar gran parte de los problemas del cálculo de las estructuras y predecir su comportamiento. Sin embargo, la no linealidad del hormigón y la del acero para tensiones elevadas también nos obliga a realizar procesos de análisis no lineales. 49.

(51) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. Al conocer la forma de colapso de la estructura sometida a una acción sísmica, aparecen movimientos con un fuerte grado de no linealidad. Las causas de la no linealidad en las estructuras de hormigón armado son las siguientes: -No linealidad geométrica. En el análisis de los grandes desplazamientos aparecen cambios geométricos que pueden provocar que la estructura no se comporte de forma lineal. Las grandes rotaciones de la sección también son motivo para realizar un análisis no lineal. -Comportamiento no lineal del material. El hormigón tiene un comportamiento no lineal. Igualmente, el comportamiento del acero también es no lineal a partir del límite elástico. -Estados diferentes de equilibrio. Según se va incrementando la carga, aparecen diferentes estados de equilibrio de la sección, según se va fisurando el hormigón y reduciéndose la inercia, por lo que debemos considerar un comportamiento no lineal. -Otros motivos de no linealidad, que no tienen el protagonismo como los anteriores en las estructuras de hormigón armado, son las condiciones de contorno variable, en piezas que varían el punto de contacto, y la rigidización por tensión, frecuente en estructuras tipo cable. 2.2.2 Tipos de análisis. Los diferentes tipos de análisis que podemos desarrollar son. los. siguientes: 1) Análisis elástico lineal. Basado en la teoría elástico-lineal, considera el material elástico, la 50.

(52) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. geometría invariable y se aplican unas fórmulas lineales. 2) Análisis no lineal del material. Considera únicamente la no linealidad del material, siendo la geometría la inicial en todo el análisis. 3) Análisis no lineal de la geometría. Considera únicamente la no linealidad de la geometría, planteando el equilibrio en la posición deformada y considerando el material con un comportamiento lineal. 4) Análisis no lineal general. Considera la no linealidad geométrica y la no linealidad del material. Deben realizarse los incrementos de carga necesarios para asegurar que el análisis converge, dependiendo de método de análisis utilizado.. 2.2.3. Métodos de análisis no lineales. Según y W. F. Chen y T. Atsuta (1976) y M.A. Ortega (2007) en el estudio de problemas no lineales podemos encontrar diferentes métodos de análisis en el cálculo plástico de vigas-columna, que serán utilizados dependiendo de tipo de problema a resolver. -Método de integración de la curvatura. En inglés Column Curvature Curves (CCC). Se utiliza una relación no lineal entre momento y curvatura. Esta puede obtenerse a partir del comportamiento teórico de la sección transversal, de forma experimental con galgas extensométricas o a partir de los modelos. 51.

(53) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. numéricos no lineales validados con ensayos experimentales. Figura 2.32. El ángulo que gira la sección, es el cociente de la diferencia de movimientos perpendiculares a la sección de la fibra superior e inferior, entre el canto de la sección. La curvatura es el cociente de la diferencia de deformaciones unitarias de la fibra superior e inferior, entre el canto de la sección. A partir de la integración de estas curvaturas a lo largo de la directriz se determinan los movimientos para unas cargas dadas.. Figura 2.32. Pilar lineal equivalente. Ortega, (2007).. El modelo elastoplástico nos permite predecir fielmente el comportamiento. 52.

(54) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. en todas las etapas del proceso de carga, figura 2.33, (J.R. Atienza, R. Irles, 1985). Una etapa lineal inicial próxima a las situaciones de servicio y una etapa plástica que nos permite predecir el comportamiento próximo al agotamiento. La matriz de rigidez tangente de cada barra, JK, caracteriza el comportamiento elastoplástico de la barra en fase no lineal.. Este método sólo resuelve la no linealidad mecánica, la geométrica se resuelve por otros procedimientos como el sistema de referencia corrotacional, o el planteamiento en coordenadas lagranianas actualizadas.. Figura 2.33. Viga biapoyada solicitada a flexión simple. J.R. Atienza, R. Irles (1985).. -Método de Elementos Finitos (FEM). Se basa en el uso de funciones aproximantes para los movimientos. Al asumir unas funciones aproximantes para los movimientos de los. 53.

(55) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. puntos internos de cada elemento entre nodos, las matrices tangentes vienen definidas en términos de determinadas integrales de derivadas de dichas funciones. El software actualmente disponible, basado en este método, es capaz de resolver numerosos tipos de análisis con múltiples aplicaciones en el campo de la ingeniería, pudiendo resolver desde un simple análisis lineal, hasta un complejo análisis no lineal. El cálculo no lineal desarrollado requiere, para la resolución de las ecuaciones, un proceso incremental con cargas crecientes desde valor nulo. Figura 2.34.. Figura 2.34. Gráfica de carga y tiempo. (ANSYS 2005c). 2.2.4. Proceso iterativo del tipo Newton-Raphson. Es un procedimiento para resolver sistemas de ecuaciones no lineales, utilizado. en. diferentes. áreas. del. conocimiento. Las ecuaciones. correspondientes a los métodos descritos en el apartado anterior se resuelven mediante el procedimiento de Newton-Raphson. 54.

(56) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. Es un buen método para obtener el punto de fallo de la estructura. Se trata de resolver el sistema de ecuaciones no lineales por aplicación de un proceso iterativo, aceptando como solución del problema aquella que cumple las condiciones de convergencia planteadas, Fenollosa (2011). Garantiza la convergencia si en cada iteración la solución está cercana a la solución exacta. El proceso consiste en obtener una matriz de rigidez tangente para cada escalón de carga, obteniendo el movimiento de los nudos necesarios para recalcular la matriz de rigidez tangente. El proceso se repite hasta que converge, figura 2.35. El movimiento de la estructura es la suma de los movimientos obtenidos en cada iteración.. Figura 2.35. Esquema del Método de Newton-Raphson. Fenollosa, (2011).. La variante modificada de este procedimiento usa la misma matriz tangente en todas las iteraciones dentro de un mismo escalón de carga, y sólo la actualiza en cada uno de estos últimos escalones (ello supone un ahorro de tiempo frecuentemente, por el coste de actualizar dicha matriz). Figura 2.36.. 55.

(57) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. Figura 2.36. Proceso iterativo del método Newton Raphson modificado.. 2.3.- Comportamiento de las estructuras de hormigón armado con perfiles completamente embebidos. Es necesario analizar cada uno de los materiales que componen las secciones de hormigón armado con perfiles metálicos completamente embebidos para poder conocer el comportamiento de toda la sección, la barra y la estructura. 2.3.1.- Hormigón. El comportamiento del hormigón es frágil, con mucha resistencia a compresión y poca a tracción; por tanto, presenta poca capacidad de absorción de energía por deformación plástica, al ser un material poco dúctil.. 56.

(58) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. Figura 2.37. Representación esquemática de la relación tenso-deformacional del hormigón. Tabla 39.6 EHE.. La mayor dificultad en la simulación consiste en poder simular el comportamiento del hormigón armado para deformaciones importantes, ya que la fisuración va reduciendo la inercia y su resistencia, y es muy complejo simular tal fenómeno. El cálculo debe ser no lineal, ya que su comportamiento tensióndeformación es una curva para valores importantes de deformaciones. Figura 2.37. Adicionalmente al aumento de resistencia, se ha encontrado que la ductilidad del hormigón aumenta considerablemente ante estados de compresión triaxial, por ejemplo, cuando el hormigón está confinado gracias a la colocación de los cercos o dentro de los perfiles metálicos tubulares.. 57.

(59) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. 2.3.2.- Acero corrugado. El acero es un material muy dúctil, con gran capacidad de absorción de energía por deformación plástica. Tiene un comportamiento elasto-plástico, con endurecimiento, figura 2.38. El acero presenta similar comportamiento a tracción y a compresión. Este se caracteriza por una rama lineal elástica hasta el límite elástico f y. A partir de este punto presenta una rama plástica con pendiente cero, y a partir de cierta deformación, una rama de endurecimiento. Según la EHE, el límite elástico, definido como la carga unitaria que corresponde a una deformación remanente del 10 por 1000, suele coincidir con el escalón de cedencia en aquellos aceros que lo presentan.. Figura 2.38. Gráfica 32.2 de la EHE en la que se observan varios tipos de acero de armar, con mayor o menor cedencia.. Según la EHE, a falta de datos experimentales precisos, puede suponerse que el diagrama característico es elastoplástico para el diseño estructural. En la presente tesis se pretende reproducir el comportamiento experimental con modelos numéricos, por lo que el diagrama elastoplástico no es suficiente. La rama de compresión es, en todos los casos, simétrica de la de tracción respecto al origen. Los diferentes tipos de acero de armar los podemos encontrar en la tabla 2.1. 58.

(60) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. Tabla 2.1. Tipos de acero corrugado. Tabla 32.2.a EHE.. 2.3.3.- Acero estructural. El acero estructural destaca por su mayor ductilidad frente al acero de armar, por lo que proporciona a las estructuras mixtas un comportamiento más adecuado frente a acciones sísmicas. Tabla 2.2. Alargamiento de Rotura. r (%) Espesores entre 3 y 40 mm.. 26. 24. 22. Tabla 2.2. Característica mecánicas mínimas de los aceros estructurales. Tabla 4.1 CTE SE-A y cuadro del Alargamiento de Rotura tomado del Tomo II del prontuario de Ensidesa.. 59.

(61) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. Es destacable la diferencia entre la deformación máxima que establece la EHE del 1 % del acero, a efectos de diseño, con el alargamiento máximo de rotura del acero, que en el caso del acero de armar B500 es del 16%, mientras que en el acero estructural S275 es alrededor del 24%. 2.3.4. Adherencia entre el hormigón y acero. La adherencia entre las barras de acero y las de hormigón se realiza por adherencia química y por rozamiento. Una vez sucede el deslizamiento, el rozamiento desarrolla una adherencia entre el hormigón y las barras de acero. Las barras corrugadas impiden el deslizamiento al encajarse las corrugas de acero con el hormigón. En el caso del perfil metálico el roce del hormigón confinado con el acero asegura en muchos casos la adherencia y el comportamiento mixto de ambos materiales. 2.3.5. Estructuras de hormigón armado con perfiles metálicos completamente embebidos. Una estructura de hormigón armado con perfiles completamente embebidos posee las ventajas de los elementos de hormigón armado, así como las de las piezas de acero. Mediante el diseño adecuado se pueden obtener notables mejoras en las respuestas de dichas estructuras frente a acciones dinámicas como el sismo. También puede denominarse estructura mixta, o estructura de hormigón armado con acero, HAA, en inglés Steel Reinforced Concrete (SRC). En las estructuras de hormigón armado con acero, el hormigón armado 60.

(62) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. protege al perfil metálico y le da rigidez, y el perfil metálico le proporciona ductilidad y flexibilidad al hormigón armado. En las estructuras mixtas con tubos de acero rellenos de hormigón, la resistencia y ductilidad son mayores ya que el perfil tubular confina el hormigón del interior de éste, generando estados de compresión triaxial. Además, las características del hormigón protegen al acero de. las. inclemencias atmosféricas y del fuego, los dos grandes enemigos las estructuras de acero. Cabe concluir que ambos sistemas estructurales unidos mejoran considerablemente sus cualidades, ya que el hormigón armado protege al acero y el acero aumenta considerablemente la capacidad de absorción de la energía del conjunto. Es discutible la desventaja de que aumenta la complejidad en la fase de ejecución, ya que es cierto que se incluye un elemento pesado en los nudos de hormigón armado, ya de por sí muy armados y difíciles de hormigonar, pero disminuyen las armaduras en los nudos y por consiguiente su compleja colocación. En el conjunto prevalecen las ventajas y la mejora sismorresistente es cuantiosa comparada con las posibles dificultades en su ejecución y los posibles sobrecostes frente a una estructura de hormigón convencional. En la figura 2.39 podemos apreciar el uso de las estructuras de hormigón armado con perfiles metálicos embebidos en Japón, calculado en millones de metros cuadrados de forjado. Consideramos que es un sistema constructivo a estudiar, ya que se han ejecutado alrededor del 10% de todas las estructuras de Japón; el 50% en comparación a las estructuras ejecutadas de hormigón armado. Las estructuras de acero y madera son las. 61.

(63) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. más utilizadas, en cualquier caso.. Figura 2.39. Comparación de los materiales estructurales usados en la construcción de edificios en Japón. Wood=Madera, Steel=Acero, RC=Hormigón Armado, SRC=Hormigón Armado con Acero, Nakashima and Chusilp (2003).. Existen varias variantes en las estructuras de Hormigón Armado con Acero, conocido también como Hormigón Armado con perfiles metálicos embebidos. Figura 2.40.. Figura 2.40. Diferentes tipos de pilares mixtos. Figura 4.9 del Eurocódigo 4.. 62.

(64) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. La sección a) es la analizada en la presente tesis, utilizada en pilares y vigas. También podemos encontrar diferentes modelos y combinaciones, como en las secciones de Hormigón Armado con Acero de Perfiles Tubulares, alguna de ellas también analizada en la tesis, figura 2.41.. Figura 2.41. Sección de Hormigón Armado con Acero de Perfiles Tubulares. Architectural Institute of Japan, figura 1.3, (1987).. Cabe destacar la Cooperación entre Estados Unidos y Japón sobre Ingeniería Sísmica mediante el Programa de Investigación de estructuras compuestas e híbridas, iniciado en 1979. El objetivo general del programa era mejorar las prácticas de seguridad sísmica en los dos países a través de estudios cooperativos para determinar la relación entre los ensayos reales y los modelos numéricos. Las primeras cuatro fases del programa eran de hormigón armado, estructuras de acero, estructuras de mampostería y estructuras de hormigón prefabricado. La investigación en las estructuras de Hormigón Armado con Acero, HAA, (en inglés Steel Reinforced Contrete, SRC), fue identificado como un área importante de preocupación y estudio.. 63.

(65) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. 2.4. Comportamiento de las secciones. La presente tesis analiza el comportamiento de las estructuras de hormigón armado con perfiles completamente embebidos en grandes deformaciones, por lo que el cálculo de la resistencia de la sección no es suficiente para conocer el comportamiento de la estructura, relacionado con fenómenos de pandeo, abolladura y extensión de la plastificación a elevadas deformaciones. No obstante, es necesario conocer el comportamiento de la sección para tener una visión completa. El Eurocódigo 4 en el apartado 6.7.3 facilita un método de cálculo simplificado de la resistencia de las secciones transversales. En el caso de resistencia plástica a compresión de una sección mixta se debería de calcular sumando las resistencias plásticas de sus componentes, según la fórmula 6.30 del Eurocódigo 4. Npl,Rd = Aa fyd + 0,85 Ac fcd + As fsd. En el caso de secciones de acero rellenas de hormigón, el coeficiente de 0’85 puede sustituirse por 1,0. La resistencia de una sección a una combinación de compresión y flexión, y la curva de interacción correspondiente, pueden calcularse suponiendo un bloque de tensiones rectangular como se muestra en la figura 2.42.. 64.

(66) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. Figura 2.42.Curva de interacción para una combinación de compresión y flexión uniaxial. Fig. 6.18 del Eurocódigo 4.. También es interesante comparar la resistencia de la sección de hormigón armado con el perfil metálico embebido en la posición de la inercia fuerte o de la inercia débil. Figura 2.43.. Figura 2.43. Resistencia superpuesta. (a) Flexión eje fuerte del soporte. (b) Flexión eje débil del soporte. Normativa Japonesa del Architectural Institute of Japan, (AIJ-2001,figura 17.1).. La resistencia a tracción del hormigón es muy pequeña respecto su resistencia a compresión. Es interesante comparar en la figura 2.43 la resistencia de la sección de hormigón armado con perfiles metálicos embebidos (SRC) frente a la resistencia de las dos secciones diferentes que. 65.

(67) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. la componen, de hormigón armado (RC) y del perfil metálico por separado (S). También puede observarse en la figura 2.44 el incremento de la resistencia de una sección de hormigón armado con acero de perfiles tubulares respecto a las secciones por separado, la sección tubular de acero y la sección de hormigón armado. Cabe destacar el mayor incremento de la resistencia de la sección debido al aumento de la resistencia del hormigón confinado que se encuentra dentro del perfil tubular, curva desplazada en la zona comprimida del diagrama.. Curva incrementada debido al confinamiento del hormigón.. . Figura 2.44. Resistencia superpuesta de Hormigón con Perfiles Tubulares, Normativa Japonesa del Architectural Institute of Japan, (AIJ-2001, figura 17.1).. 2.4.1.- Comportamiento no lineal de las secciones A medida que se aumentan progresivamente las deformaciones aplicadas se pueden distinguir los siguientes estados representados en la Fig. 2.45.. 66.

(68) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. a). b). c). d). Figura 2.45. Estado tensional en diferentes fases en una sección de hormigón armado con perfil metálico embebido sometido a flexión simple.. Un análisis completo del comportamiento de sección crítica puede realizarse a partir del desplazamiento de la fibra neutra a medida que se va desplazando del centro de gravedad hacia la parte superior debido a la fisuración del hormigón. a) Fase elástica. La distribución de las tensiones responde al comportamiento elástico-lineal clásico y la fibra neutra pasa por el centro de gravedad de la sección homogeneizada del hormigón y del acero, al tratarse de una solicitación de flexión simple. b) Fase fisurada. Se inicia cuando la tensión en la fibra más traccionada del hormigón alcanza su resistencia a tracción. A partir de ese momento la fisuración se propaga y las tracciones que deja de resistir el hormigón son absorbidas por el acero, que aumenta bruscamente su tensión. Para satisfacer el equilibrio de las fuerzas y los momentos, el eje neutro debe subir, produciéndose también un incremento de las tensiones en el hormigón. c) Fase de pre-rotura. Puede ser debida a tres causas: que el acero de armar alcance la deformación plástica, que la deformación del hormigón sea la correspondiente a la tensión de pico, o que sucedan ambos hechos a la vez. 67.

(69) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. El eje neutro continúa subiendo, especialmente si la armadura está plastificada, ya que para equilibrar cualquier incremento de momento es necesario aumentar el brazo mecánico de las fuerzas internas, porque éstas no pueden variar.. Figura 2.46. Estado tensional de la sección en la fase 3 de pre-rotura.. En la fase de pre-rotura toda la sección ha plastificado. Figura 2.46. d) Fase de Rotura. El hormigón ha perdido su capacidad resistente a tracción y a compresión, se desprende de la sección, las armaduras han plastificado e incluso se han seccionado y ya no tienen capacidad resistente. El perfil metálico sigue manteniendo cierta capacidad resistente con grandes deformaciones debido a su elevada ductilidad. Es necesario repasar algunas definiciones y conceptos importantes antes de continuar. La curvatura se define como el giro relativo de las caras de una rebanada, de longitud diferencial, por unidad de longitud, provocada por un momento flector. Figura 2.47. A igualdad de momentos, la curvatura es mayor si la sección es más flexible..  = M/EI. 68.

(70) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. Figura 2.47. Análisis de la curvatura de varias secciones.. El giro entre extremos de un tramo de una barra es la acumulación de los giros de sus rebanadas, por lo que puede calcularse integrando las curvaturas a lo largo del mismo. Ello requiere conocer la inercia de todas las secciones del tramo, incluidas las fisuraciones, con un momento que no es constante. 69.

(71) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. La flecha de un punto de la directriz se obtiene por doble integración de la curvatura, teniendo en cuenta las condiciones de contorno del tramo de directriz implicado. Figura 2.48.. Figura 2.48. Análisis de la flecha a partir de la curvatura de las secciones en una viga biapoyada.. 2.4.2.- Situaciones de rotura. En la fase de pre-rotura se aprecia un comportamiento plástico, y pueden definirse varios tipos de comportamientos a flexión de la sección: - Rotura frágil por insuficiencia de la armadura de tracción. Tiene lugar cuando el hormigón se fisura y la fuerza de tracción que se libera es superior a la capacidad mecánica de la armadura de tracción dispuesta. Este problema se resuelve disponiendo la cuantía mínima de armadura de tracción que establecen las instrucciones vigentes. - Rotura dúctil. Se produce si, previamente a que el hormigón haya 70.

(72) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO. alcanzado la deformación de agotamiento, εcu, el acero plastifica, es decir, alcanza la deformación correspondiente al límite elástico, y en este caso la curvatura aumenta considerablemente a partir de la plastificación del acero, lo que confiere a la estructura una notable capacidad de “aviso” mediante la aparición de grandes deformaciones y de numerosas y anchas fisuras. El aumento de momento, sin embargo, es reducido pues el incremento máximo de tensión de la armadura de tracción es Δσ s = fsd − fyd siendo fsd y fyd la carga unitaria de rotura de cálculo y el límite elástico de cálculo, respectivamente, del acero. - Rotura frágil por compresión excesiva del hormigón. Tiene lugar cuando el hormigón alcanza su deformación última antes de que el acero haya plastificado. En esta situación, el punto de plastificación del diagrama momento-curvatura (M-) no es tan marcado como en el caso anterior, pues aunque corresponda a la plastificación de la fibra más comprimida del hormigón y de la armadura comprimida, la sección continúa teniendo capacidad para resistir incrementos de momento hasta que el hormigón se agote. La curvatura última es mayor si la rotura es dúctil, manifestándose ésta de manera brusca en caso de ser frágil, triturándose el hormigón comprimido, con poca fisuración y bajas deformaciones, es decir, con poca capacidad de “aviso”. Figura 2.49.. 71.

(73) CAPÍTULO 2. ESTADO DEL CONOCIMIENTO.  Figura 2.49. Diagrama momentos-curvaturas en casos límite de ductilidad reducida (comportamiento frágil) y ductilidad muy acusada (comportamiento dúctil). Figura IV.6. J. Martínez Calzón, (1978).. Figura 2.50. Forma genérica del diagrama momentos-curvaturas. Figura IV.3. J. Martínez Calzón, (1978).. Haciendo referencia a una sección genérica, la representación de la gráfica momentos-curvaturas es básica para el estudio anelástico de las piezas mixtas. Figura 2.50. (J. Martínez Calzón, 1978). Conviene conocer el comportamiento de la rama post-agotamiento para poder reproducir resultados experimentales con modelos numéricos. Esta rama decreciente del post-agotamiento es fundamental para reproducir fielmente con el modelo numérico lo que sucede de forma experimental en los nudos ensayados en la presente tesis. La presente tesis trata de analizar y simular no sólo el comportamiento 72.