Documento Sistemas
Estructurales con
Elementos Prefabricados
Limitaciones y propuestas a nivel mundial
Armando Sierra Ruiz 20/06/2014
El presente documento contiene en primer lugar un resumen de la información encontrada a nivel mundial sobre limitaciones que deben contemplarse al implementar un sistema estructural que utilice elementos prefabricados en concreto. Posteriormente se exponen diferentes propuestas encontradas en estudios internacionales que solucionan dichas limitaciones.
Tabla de contenido
1 LIMITACIONES DE SISTEMAS PREFABRICADOS EN CÓDIGOS DE DISEÑO ... 1
1.1 Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente (NSR-10) ... 1
1.1.1 Ley 400 de 1997 ... 1
1.1.2 Homologación de Regímenes de Excepción ... 2
1.1.3 Limitaciones en la NSR-10 ... 3
1.2 International Building Code (IBC-12) ... 6
1.3 Concrete Structures Standard Part 1 - The Design of Concrete Structures (NZS 3101-1) .. 8
1.4 FEMA 356 - Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings .... 9
1.5 Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures (ASCE 7-10) ... 10
1.5.1 NEHRP Recommended Provisions for Seismic Regulations for New Buildings and Other Structures (FEMA 450)... 11
1.5.2 PCI DESIGN HANDBOOK ... 12
2 SISTEMAS UTILIZADOS A NIVEL MUNDIAL ... 13
2.1 Smart Green Frame (SGF) ... 13
2.1.1 Proceso Constructivo ... 13
2.1.2 Resultados experimentales ... 16
2.2 Project SAFECAST ... 19
2.2.1 Metas del proyecto ... 19
2.2.2 Ensayo pseudo-dinámico ... 19
2.3 Multipanel Precast Hollowcore Walls ... 29
2.3.1 Montaje experimental ... 30
2.3.2 Resultados ... 31
2.4 Ventajas y Desventajas de los sistemas ... 34
2.4.1 Smart Green Frame ... 34
2.4.2 Project SAFECAST ... 35
2.4.3 Multipanel Precast Hollowcore Walls ... 36
3 Conclusión ... 36
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1
LIMITACIONES DE SISTEMAS PREFABRICADOS EN CÓDIGOS DE
DISEÑO
1.1
Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente (NSR-10)
El Título A del Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente contiene los requisitos generales de diseño y construcción sismo resistentes que todas las estructuras construidas dentro del territorio colombiano deben cumplir. En este Título del Reglamento se encuentran dos secciones que son claves para el uso de sistemas estructurales prefabricados.En la sección A.1.4.2 del Reglamento se establecen las condiciones bajo las cuales pueden utilizarse sistemas de resistencia sísmica que sean conformados por elementos estructurales prefabricados. Los sistemas estructurales prefabricados pueden implementarse siempre y cuando se satisfaga una de las siguientes condiciones:
- Se utilicen las provisiones contenidas en la sección A.3.1.7.
- Se obtenga una autorización especial de la Comisión Asesora Permanente para el Régimen de Construcciones Sismo Resistentes, según lo establecido en la Ley 400 de 1997.
La sección A.3.1.7 inicialmente condiciona el uso de estructuras prefabricadas a situaciones donde se espera que la estructura incursione en el rango de deformaciones inelásticas brevemente antes de fallar, pues se establece que el diseño de estructuras con sistemas estructurales de resistencia sísmica prefabricados debe cumplir con todas las provisiones contenidas en el Reglamento
utilizando un coeficiente de capacidad de disipación de energía básico (R0) igual a 1.5. Todo lo anterior quiere decir que el diseño de la estructura debe ejecutarse suponiendo que la capacidad de disipar energía de los sistemas prefabricados es inferior a la de los sistemas homólogos construidos monolíticamente. Esta sección del Reglamento provee como alternativa demostrar por medios experimentales y analíticos que el sistema que se desea implementar tiene una capacidad de disipación de energía igual o superior a la capacidad de un sistema construido in-situ, según lo estipulado en la Ley 400 de 1997.
1.1.1 Ley 400 de 1997
La Ley 400 de 1997 establece los requisitos mínimos para el diseño, construcción y supervisión de edificaciones nuevas, resaltando que el propósito principal de los sistemas de resistencia sísmica debía ser minimizar el riesgo de la pérdida de vidas humanas ante un evento de sismo. En tres
Artículos del documento se mencionan las condiciones que deben cumplirse para diseñar estructuras con elementos alternativos a los establecidos en el Reglamento:
- Artículo 11°: Permite la implementación de metodologías constructivas alternativas siempre y cuando tanto el constructor como el diseñador estructural acepten toda la responsabilidad, por medio de un documento escrito, sobre cualquier eventualidad generada por el uso de la metodología alternativa.
Página | 2 - Artículo 12°: Establece los mismos parámetros contenidos dentro de la sección A.3.1.7 del
Reglamento acerca del uso de sistemas prefabricados.
- Artículo 13°: Permite el uso de cualquier sistema de diseño y construcción del cual exista evidencia experimental y/o analítica que demuestre su capacidad para cumplir sus propósitos pese a que no cumpla con uno o más requisitos específicos de la ley y sus reglamentos. Se debe presentar una autorización especial expedida por la Comisión Asesora Permanente para el Régimen de Construcciones Sismo Resistentes y debe tenerse en cuenta que la responsabilidad del correcto funcionamiento de la estructura recaerá sobre el diseñador estructural y el constructor.
1.1.2 Homologación de Regímenes de Excepción
Anteriormente se mencionó que la normativa vigente establecida por medio del Reglamento Colombiano De Construcción Sismo Resistente (NSR-10) contiene un procedimiento establecido para obtener la aprobación de materiales, métodos de análisis, métodos de diseño y metodologías constructivas alternativas. Dicho procedimiento es consistente con los requisitos establecidos en la Ley 400 de 1997 y ha sido descrito en documentos publicados por la Comisión Permanente para el Régimen de Construcciones Sismo Resistentes.
Para solicitar una homologación de régimen de excepción se deben presentar los siguientes documentos:
Carta solicitando la aprobación del sistema en la cual: se relacionen todos los documentos adjuntos, se provea una lista de los profesionales que intervinieron en las etapas de análisis y experimentación, y se mencionen las fechas de inicio y finalización de los ensayos experimentales.
Informe detallado del procedimiento experimental, en el cual se establezca claramente la metodología utilizada para aplicar las cargas requeridas y para realizar las mediciones pertinentes.
Informe de interpretación de resultados que demuestre la pertinencia de los ensayos y la validez de sus resultados.
Propuesta de régimen de excepción en la cual se identifiquen claramente las secciones del
Reglamento (NSR-10) que el sistema no cumple y se describan las provisiones alternativas que se pretenden utilizar.
Descripción del proceso constructivo y del control de calidad, dentro de lo estipulado por las Normas Técnicas Colombianas (NTC).
Certificación de los experimentos realizados en la cual una entidad independiente de los interesados en el estudio compruebe la fiabilidad de los resultados presentados.
Una vez se entreguen estos documentos a la Comisión, esta creara una subcomisión que estudie la propuesta presentada y genere un concepto sobre ella. Cuando se finalicen los trámites requeridos, el solicitante debe presentar un memorial ante el Ministerio de Vivienda en el que asuma toda la responsabilidad por el uso del sistema alternativo. Finalmente, cuando la subcomisión genere un veredicto positivo y se haya entregado el memorial ante el Ministerio, la
Página | 3 Comisión recomendará al Ministerio de Vivienda la expedición de la Resolución Aprobatoria del sistema constructivo propuesto. En la siguiente ilustración se esquematiza el procedimiento:
Ilustración 1. Procedimiento para solicitar la homologación de Régimen de Excepción
1.1.3 Limitaciones en la NSR-10
En el Título A de la NSR-10 se presentan las Tablas A.3-1, A.3-2, A.3-3 y A.3-4, las cuales contienen los coeficientes de disipación de energía básicos R0 y las alturas máximas permitidas correspondientes a cada sistema estructural.
En estas tablas no se encuentran explícitamente limitaciones para el caso de sistemas estructurales constituidos parcial o totalmente por elementos prefabricados. Con el fin de estimar las limitaciones que rigen estos sistemas se realizan cuatro estimaciones: tres por similitud del coeficiente de disipación de energía básico y otra por similitud del sistema estructural. Las condiciones evaluadas corresponden a las limitaciones más restrictivas que se encuentren en cada categoría, con el fin de obtener una estimación conservadora.
En primer lugar se evalúan las limitaciones que aplican para sistemas estructurales con coeficientes de disipación de energía igual a uno (R0=1.0), las cuales se presentan en la Tabla 1. Como estos sistemas no poseen capacidad para soportar deformaciones en el rango inelástico, su uso está restringido a zonas de amenaza sísmica baja y únicamente están permitidos para estructuras que pertenezcan al grupo de importancia I, es decir, estructuras de ocupación normal.
Tabla 1. Límites de altura (Criterio R0=1.0)
Zona Altura Máxima
Alta No se permite
Intermedia No se permite
Baja Máx. 2 pisos. Edificaciones del grupo I
En segundo lugar se evalúan las limitaciones que aplican para sistemas estructurales con coeficientes de disipación de energía igual al establecido inicialmente en la sección A.3.1.7 para sistemas estructurales prefabricados (R0=1.5), las cuales se presentan en la Tabla 2. Estos sistemas poseen una capacidad mínima para soportar deformaciones en el rango inelástico y en
Comisión asigna la solicitud a subcomisión
Presentar un memorial ante el Ministerio de Vivienda Entregar documentos
a la Comisión
Comisión recomienda la expedición de una resolución aprobatoria
Página | 4 consecuencia no pueden ser implementados en zonas de amenaza sísmica alta o intermedia. Estos sistemas estructurales únicamente pueden utilizarse para zonas de amenaza sísmica baja en estructuras cuya altura no supere los doce metros, es decir, estructuras de tres o cuatro pisos aproximadamente.
Tabla 2. Límites de altura (Criterio R0=1.5)
Zona Altura Máxima
Alta No se permite
Intermedia No se permite
Baja 12 m
Adicionalmente se evalúan las limitaciones que aplican para sistemas estructurales con coeficientes de disipación de energía igual a dos (R0=2.0), las cuales se presentan en la Tabla 3. Estos sistemas poseen una capacidad para soportar deformaciones en el rango inelástico comparativamente baja, en relación a todos los sistemas permitidos por la NSR-10 y por lo tanto solo se permiten en zonas de amenaza sísmica baja. Gracias a su mayor capacidad de disipar energía en comparación a los sistemas anteriormente mencionados, estos sistemas pueden ser implementados en edificaciones de hasta dieciocho metros de altura, la cual corresponde a estructuras de cinco o seis pisos aproximadamente.
Tabla 3. Límites de altura (Criterio R0=2.0)
Zona Altura Máxima
Alta No se permite
Intermedia No se permite
Baja 18 m
Finalmente se evalúan las limitaciones que rigen para dos sistemas estructurales que son homólogos a los sistemas estructurales prefabricados: los Muros Estructurales de Concreto (Muros) y los Pórticos Resistentes a Momento de Concreto (PRM). En la Tabla 4 se presentan las limitaciones que rigen sobre estos dos sistemas para las tres diferentes capacidades de disipación de energía: Capacidad Especial de Disipación de Energía (DES), Capacidad Moderada de Disipación de Energía (DMO) y Capacidad Mínima de Disipación de Energía.
Tabla 4. Sistemas estructurales
ID-Sistema Sistema resistencia sísmica Sistema resistencia de cargas verticales
M-DES 1 Muros de Concreto (DES) El mismo
M-DES 2 Muros de Concreto(DES) Pórticos de concreto DES
M-DES 3 Muros de Concreto (DES) Pórticos de concreto DMO
M-DMO 1 Muros de Concreto (DMO) El mismo
M-DMO 2 Muros de Concreto (DMO) Pórticos de concreto DMI
M-DMI Muros de Concreto (DMI) El mismo
Página | 5 PRM-DMO Pórticos Resistentes a Momento (DMO) El mismo
PRM-DMI Pórticos Resistentes a Momento (DMI) El mismo
Tabla 5. Límites de altura (Criterio: Similitud del sistema estructural)
Zonas de amenaza sísmica Alta Intermedia Baja ID-Sistema R0 Altura Máxima Altura Máxima Altura Máxima
M-DES 1 5 50 m Sin límite Sin límite M-DES 2 7 72 m Sin límite Sin límite M-DES 3 5 No se permite 72 m Sin límite M-DMO 1 4 No se permite 50 m Sin límite M-DMO 2 2,5 No se permite No se permite 72 m
M-DMI 2,5 No se permite No se permite 50 m PRM-DES 7 Sin límite Sin límite Sin límite PRM-DMO 5 No se permite Sin límite Sin límite PRM-DMI 2,5 No se permite No se permite Sin límite
En el caso de los muros estructurales se observa que las limitaciones están regidas por dos factores: su capacidad de disipación de energía y el sistema de resistencia a cargas verticales que se implemente. Los muros estructurales de capacidad especial pueden utilizarse prácticamente en cualquier zona sin restricción, excepto cuando que se utilice un sistema resistente a cargas verticales que no tenga la misma capacidad de disipación de energía. Los muros estructurales de capacidad moderada podrán implementarse en zonas de amenaza sísmica intermedia y baja, pero no en zonas de amenaza sísmica alta, siempre y cuando se utilice un sistema de resistencia a cargas gravitacionales con la misma capacidad de disipación de energía. Por último, los muros estructurales con capacidad mínima de disipación de energía pueden utilizarse únicamente en zonas de amenaza sísmica baja para estructuras cuya altura sea inferior a cincuenta metros. En relación a los casos evaluados anteriormente, la implementación de muros estructurales construidos monolíticamente no tiene restricciones tan severas y poseen una amplia gama de posibilidades de implementación.
En el caso de los pórticos resistentes a momento se observa que dependiendo de su capacidad de disipación de energía, pueden ser utilizados en estructuras sin límite de altura ubicadas en diferentes zonas de amenaza sísmica. Los pórticos resistentes a momento con capacidad especial no tienen ninguna restricción. Los pórticos resistentes a momento con capacidad moderada pueden utilizarse tanto en zonas de amenaza sísmica intermedia como en zonas de amenaza sísmica baja sin restricción de altura. Por último, los pórticos resistentes a momento con capacidad mínima solo pueden ser usados para estructuras ubicadas en zonas de amenaza sísmica baja. Es importante resaltar las evidentes diferencias en las restricciones que aplicarían para sistemas estructurales prefabricados dependiendo del criterio de evaluación que se utilice. En caso de optar por cumplir con la recomendación de la sección A.3.1.7 de la NSR-10 sobre un coeficiente R0 igual a 1.5, las opciones de diseño se ven drásticamente limitadas por suponer que la capacidad de la estructura de alcanzar deformaciones inelásticas es muy baja. Si se decide utilizar el segundo
Página | 6 mecanismo permitido por la NSR-10 (Homologación de Régimen de Excepción) se podría llegar a demostrar que un sistema estructural prefabricado posee la misma capacidad que el sistema homólogo construido monolíticamente, lo cual implica un esfuerzo superior en términos de experimentación detallada y análisis complejos, pero abre la posibilidad a restricciones considerablemente menos severas.
1.2
International Building Code (IBC-12)
El documento International Building Code 2012 desarrollado por el Consejo Internacional de Códigos (ICC por sus siglas en inglés) tiene como objetivo satisfacer la necesidad de lineamientos actualizados que se enfoquen en el diseño y la instalación de diferentes sistemas constructivos. En la sección 3 del Capítulo 5 del documento se presenta una tabla que resume las limitaciones de altura y área por piso en función del grupo de uso y el tipo de construcción al cual pertenezca la estructura evaluada.
La clasificación de uso y ocupación (grupo de uso) es definida en el Capítulo 3 por medio de 10 grupos caracterizados por su inicial en inglés: Asamblea (A), Empresarial (B), Educación (E), Fabricas e Industrial (F), Alto Riesgo (H), Institucional (I), Mercantil (M), Residencial (R), Almacenamiento (S) y Utilidad y Varios (U). Se hace énfasis en cinco de los grupos anteriores con el fin de tener un espectro amplio de usos en los cuales podrían implementarse sistemas estructurales prefabricados:
Grupo Empresarial (B): Incluye las edificaciones utilizadas para oficinas, servicios profesionales almacenamiento de registros.
Grupo Educación (E): Incluye las estructuras utilizadas simultáneamente por seis o más personas para propósitos educacionales.
Grupo Fabricas e Industrial (F): Incluye todo tipo de construcciones dentro de las cuales se lleven a cabo operaciones de ensamble, desensamble, fabricación, terminación, empaquetado, reparación o procesamiento industrializado que no tenga implicaciones riesgosas que apliquen a las condiciones del grupo de Alto Riesgo (H). Este grupo está constituido por dos subgrupos: Bajo Riesgo (F-1) y Riesgo Moderado (F-2), siendo ambos definidos a partir de los procesos que se lleven a cabo al interior de la construcción.
Grupo Residencial (R): Incluye cuatro subcategorías de ocupaciones residenciales:
o Ocupaciones residenciales constituidas por unidades donde los ocupantes son transitorios (R-1).
o Ocupaciones residenciales conformadas por unidades en las cuales los ocupantes son permanentes (R-2).
o Unidades dentro de las cuales habitan entre cinco y dieciséis personas autosuficientes en turnos de veinticuatro horas (R-4).
o Ocupaciones residenciales que no clasifican en los tres grupos anteriores (R-3).
Grupo Almacenamiento (S): Incluye todas las estructuras de almacenamiento que no pueden ser clasificadas como una ocupación riesgosa o nociva.
Página | 7 o En particular se observan las limitaciones asociadas al subgrupo de
almacenamiento de Bajo Riesgo (S-2) pues este incluye las estructuras de parqueaderos abiertos y cerrados, según la sección 406.3.5 del documento
La clasificación de los tipos de construcción es definida en el Capítulo 6 del documento. Los cinco tipos de construcción dependen principalmente de la resistencia al fuego que posean los elementos que conforman la edificación:
Tipo I y II: Construcciones en las cuales elementos tanto estructurales como no estructurales son fabricados con materiales no combustibles.
Tipo III: Construcciones en las cuales las paredes exteriores deben construirse con materiales no combustibles, mientras que el resto de elementos internos pueden construirse con cualquier material.
Tipo IV: Construcciones en las cuales las paredes exteriores se construyen con materiales no combustibles y los elementos internos se construyen con madera laminada.
Tipo V: Los elementos son construidos con cualquiera de los materiales cubiertos por el documento IBC 12.
A continuación se presenta una tabla que contiene las limitaciones establecidas para grupos de uso que pueden ser asociados con sistemas estructurales prefabricados. Esta información es tomada de la Tabla 503 del documento IBC 12, donde se estipulan límites de altura y de número de pisos.
Tabla 6. Alturas permitidas según tipo de construcción y grupo de uso (IBC-12 Tabla 503)
Tipo de Construcción
Tipo I Tipo II Tipo III Tipo IV Tipo V
A B A B A B HT A B
Altura (m) UL 49 20 17 20 17 20 15 12
Grupo de Uso
Empresarial UL 11 5 3 5 3 5 3 2
Educación UL 5 3 2 3 2 3 1 1
Fabricas e Industrial - 1 UL 11 4 2 3 2 4 2 1
Fabricas e Industrial - 2 UL 11 5 3 4 3 5 3 2
Residencial - 1 UL 11 4 4 4 4 4 3 2
Residencial - 2 UL 11 4 4 4 4 4 3 2
Residencial - 3 UL 11 4 4 4 4 4 3 3
Residencial - 4 UL 11 4 4 4 4 4 3 2
Almacenamiento - 2 UL 11 5 3 4 3 5 4 2
Las limitaciones observadas en la Tabla 7 permiten concluir que según las provisiones del documento IBC 12 la característica dominante que limita el número de pisos de una estructura es su clasificación de tipo de construcción. Se observa que el número de pisos permitidos para cada tipo de construcción es prácticamente independiente de los grupos de uso, pero a medida que los requerimientos de la resistencia al fuego de los materiales de construcción se vuelven menos
Página | 8 restrictivos, el número de pisos se reduce drásticamente. Esta particularidad evidencia que el ICC considera especialmente relevante el efecto de resistencia al fuego que deben tener las estructuras, en contraste al caso colombiano donde estos efectos pasan a un segundo plano. También es necesario resaltar que el IBC 12 no contempla explícitamente las características de disipación de energía propias de cada sistema estructural para establecer los límites de altura, lo cual también constituye una postura radicalmente diferente al caso colombiano.
1.3
Concrete Structures Standard Part 1 - The Design of Concrete
Structures (NZS 3101-1)
El documento Concrete Structures Standard Part 1 - The Design of Concrete Structures (NZS 3101-1) desarrollado por el grupo desarrollador de estándares Standards New Zealand tiene como objetivo establecer los requerimientos mínimos para el diseño de estructuras construidas utilizando tanto concreto fundido in situ como elementos de concreto prefabricado.
Este documento no presenta información acerca de limitaciones geográficas o limitaciones de altura que apliquen en sistemas estructurales prefabricados, pero si presenta definiciones que pueden servir para clasificar dichos sistemas. En la sección 8.2 del Capítulo 18 del documento NZS 3101-1 se establecen dos categorías que clasifican los sistemas estructurales de muros estructurales y pórticos resistentes a momento que incorporan elementos prefabricados. Las dos categorías de sistemas son “Equivalent Monolithic” y “Jointed”.
Los sistemas de la categoría “Equivalent Monolithic” se caracterizan por tener una resistencia y tenacidad equivalente a la resistencia y tenacidad provista por un sistema estructural construido monolíticamente. Las conexiones de estas estructuras pueden clasificarse en dos categorías:
Conexiones fuertes de ductilidad normal: aseguran que la fluencia a flexión ocurrirá lejos de la zona de conexión.
Conexiones dúctiles: incorporan barras longitudinales de refuerzo a la conexión que deben entrar al rango inelástico durante un evento sísmico severo.
Los sistemas de la categoría “Jointed” se caracterizan porque sus conexiones son más débiles que los elementos prefabricados cercanos y porque su comportamiento no busca simular el comportamiento de una estructura similar construida monolíticamente. En este sistema las deformaciones inelásticas se concentran en la interfaz de conexión de los elementos por medio de fisuras. Las conexiones se dividen en tres categorías:
Ductilidad limitada: conexiones secas formadas por soldadura o por medio de pernos.
Conexiones dúctiles: Usan cables de presfuerzo para realizar las conexiones. La inelasticidad se concentra en la interfaz entre elementos por medio de fisuras mientras que los cables se mantienen en el rango elástico. Poca deformación residual después de un sismo.
Página | 9
1.4
FEMA 356 - Prestandard and Commentary for the Seismic
Rehabilitation of Buildings
El documento FEMA 356 - Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings
fue desarrollado gracias a un esfuerzo conjunto entre la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles (ASCE por sus siglas en inglés) y la Agencia de Manejo de Emergencia Federal (FEMA por sus siglas en inglés) con el fin de actualizar el documento predecesor (FEMA 273) incluyendo nuevas provisiones que contemplan investigaciones recientes.
Este documento no contiene limitaciones geográficas o de altura que apliquen en sistemas estructurales prefabricados, pero si presenta definiciones que pueden servir para clasificar dichos sistemas. En la sección 6.1 del Capítulo 6 del documento FEMA 356 se definen tres tipos de sistemas estructurales que son conformados por elementos prefabricados.
En la sección 6.6.1.1 se definen los pórticos de concreto prefabricado que simulan el comportamiento de los pórticos fundidos en sitio como sistemas estructurales prefabricados viga-columna que se conectan por medio de barras de refuerzo y concreto húmedo para asegurar una resistencia similar a los sistemas homólogos construidos monolíticamente.
En la sección 6.6.1.2 se establece que los pórticos resistentes a momento de concreto prefabricados construidos utilizando juntas secas, deben armarse con el fin de obtener una resistencia a las cargas laterales importante. Esta clasificación aplica tanto para pórticos que resistan independientemente las cargas laterales como para pórticos que funcionen en conjunto con otros sistemas estructurales, como muros portantes o pórticos arriostrados.
En la sección 6.6.1.3 se definen los pórticos de concreto prefabricado que no aportan resistencia ante cargas laterales. Se supone que estas estructuras solamente resistirán cargas verticales, ya que las cargas horizontales deberán ser totalmente asumidas por otros sistemas. Se debe asegurar que la deformación de los pórticos prefabricados sea compatible con la deformación general de la estructura.
Adicionalmente, en la sección 9 del Capítulo 6 se definen dos casos de muros estructurales. El primer caso corresponde al uso de muros prefabricados cuyas conexiones son especialmente resistentes con el fin de asegurar que el sistema se comporte como un sistema similar fundido in situ. El segundo caso, llamado “Jointed construction”, hace referencia a las estructuras en las cuales se permite que ocurran desplazamientos inelásticos en la zona de conexión entre paneles. Finalmente, en la sección 12 del Capítulo 6 se definen dos tipos de diafragmas conformados por elementos prefabricados de concreto.
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1.5
Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures (ASCE
7-10)
El documento ASCE 7-10 fue desarrollado por la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles (ASCE por sus siglas en inglés) con el fin de proveer un estándar de cargas y requerimientos mínimos para el diseño de edificaciones y otras estructuras. En el Capítulo 12, sección 2, se presentan tanto las pautas para seleccionar el sistema estructural como la Tabla 12.2-1, la cual contiene la información asociada a las limitaciones de uso de cada uno de los sistemas cubiertos por el documento. En la siguiente tabla se presenta información extraída de la Tabla 12.2-1 relacionada con sistemas estructurales prefabricados.
Tabla 7. Límites de altura según sistema estructural (ASCE 7-10 Tabla 12.2-1)
Límites de altura (m)
Sistema resistencia sísmica R B C D E F Sistema resistencia de cargas verticales: Muros Cargueros
Muros de Concreto
(Capacidad Especial) 5 SL SL 49 49 30
Muros de Concreto
(Capacidad Moderada) 4 SL SL 12 12 12
Muros de Concreto
(Capacidad Mínima) 3 SL NP NP NP NP
Sistema resistencia de cargas verticales: Pórticos
Muros de Concreto
(Capacidad Especial) 6 SL SL 49 49 30
Muros de Concreto
(Capacidad Moderada) 5 SL SL 12 12 12
Muros de Concreto
(Capacidad Mínima) 4 SL NP NP NP NP
Sistema resistencia de cargas verticales: Pórticos Resistentes a Momento
Pórticos Resistentes a Momento
(Capacidad Especial) 8 SL SL SL SL SL
Sistema resistencia de cargas verticales: Columnas en voladizo
Pórticos Resistentes a Momento
(Capacidad Especial) 2.5 11 11 11 11 11
En la Tabla 7 se encuentran los límites de altura de todos los sistemas estructurales que pueden ser implementados utilizando elementos prefabricados según las provisiones del documento ASCE 7-10. En esta tabla la sigla SL quiere decir “Sin Límite” mientras que la sigla NP quiere decir “No Permitida”. Dado que los límites de altura dependen de la categoría de diseño sísmico, es importante entender esta clasificación; según la sección 2 del Capítulo 11 del documento ASCE
7-10 la clasificación de las categorías de diseño sísmico está basada en la categoría de riesgo de la estructura y a la severidad del sismo de diseño en el lugar donde esta se ubique, es decir que caracteriza una estructura en términos geográficos y de vulnerabilidad sísmica. La categoría de diseño sísmico menos crítica es la A, mientras que la categoría de diseño sísmico más crítica es la F. Las categorías de riesgo se definen por medio de la Tabla 1.5-1 del documento en función del
Página | 11 riesgo hacia el bienestar, la salud y la vida humana asociado a la naturaleza del uso de la estructura.
En la Tabla 7 se observa que en el caso de seleccionar muros de concreto resistiendo las cargas horizontales los límites de altura son independientes del sistema de resistencia de cargas verticales, pese a que los coeficientes de disipación de energía R no lo son. En primer lugar, los muros de concreto de capacidad de disipación especial pueden ser implementados en estructuras pertenecientes a todas las categorías de diseño sísmico, pero se restringe su uso en dos casos: edificaciones con alturas inferiores a 49 metros (14 o 15 pisos de altura aproximadamente) para las categorías D y E y edificaciones con alturas menores a 30 metros (9 o 10 pisos de altura aproximadamente) para la categoría E. En segundo lugar, los muros de concreto de capacidad de disipación moderada también pueden ser implementados en estructuras pertenecientes a todas las categorías de diseño sísmico pero bajo restricciones más severas para las categorías D, E y F, pues en estas categorías solo se permite este sistema en edificaciones con alturas inferiores a 12 metros (3 o 4 pisos de altura aproximadamente). Finalmente, los muros de concreto de capacidad de disipación mínima se permiten únicamente para estructuras de categoría B. Cabe resaltar que a pesar de no incidir en los límites de altura permitidas, el efecto del sistema de resistencia de cargas verticales debe ser tenido en cuenta para definir el coeficiente de disipación de energía con el cual se diseñara la estructura.
Del mismo modo, en la Tabla 7 se observa que en el caso de optar por utilizar pórticos resistencias a momento los límites de altura máxima permitida dependen drásticamente del sistema de resistencia de cargas verticales. Si se utiliza el mismo sistema para resistir las cargas en ambas direcciones, el documento ASCE 7-10 permite utilizar los pórticos resistentes a momento de capacidad especial en estructuras clasificadas en cualquier categoría de diseño sísmico sin imponer restricciones sobre la altura de la estructura. En caso de utilizar un sistema diferente, como por ejemplo columnas en voladizo, los límites se vuelven muy restrictivos ya que solo se permitirían edificaciones con una altura máxima de 11 metros (3 o 4 pisos aproximadamente) para todas las categorías de diseño sísmico.
En la sección 2.1 del Capítulo 12 se estipula que en caso que se quiera utilizar una estructura que no se encuentre cubierta por la Tabla 12.2-1, debe entregarse a la autoridad competente documentación analítica y experimental suficiente que demuestre que la resistencia a cargas laterales y la capacidad de disipación de energía de la estructura es equivalente a las propiedades de sistemas estructurales que si estén contenidos en la Tabla 12.2-1.
1.5.1 NEHRP Recommended Provisions for Seismic Regulations for New Buildings and Other Structures (FEMA 450)
El documento FEMA 450 fue desarrollado por la Agencia de Manejo de Emergencia Federal (FEMA por sus siglas en inglés) en conjunto con el Programa Nacional de Reducción de la Amenaza Sísmica (NEHRP por sus siglas en inglés) con el fin de promover el diseño y la ejecución de obras de ingeniería estructural que busquen enfrentar el problema de amenaza sísmica para minimizar el riesgo de daño a las estructuras y lesión de las personas.
Página | 12 El Capítulo 4 se enfoca en los criterios de diseño estructural. La sección 4.2 presenta una tabla que coincide con la Tabla 12.2-1 del documento ASCE 7-10, por lo tanto todas las consideraciones asociadas a estructuras prefabricadas en términos de los límites de uso de este tipo de sistemas corresponden a aquellas analizadas a partir de la información del documento expedido por la ASCE.
1.5.2 PCI DESIGN HANDBOOK
El documento PCI Design Handbook – Precast and Prestressed Concrete fue desarrollado por el Instituto de Concreto Prefabricado/Presforzado (PCI por sus siglas en inglés) con el propósito de propagar los descubrimientos de las investigaciones modernas sobre técnicas de diseño de estructuras prefabricadas.
En la sección 4.6 del documento se establece que el sistema de resistencia a fuerzas laterales de columnas en voladizo puede ser considerado un sistema de pórticos de capacidad mínima únicamente en estructuras clasificadas en las categorías de diseño A y B. También se establece que la altura máxima permitida para edificaciones que implementen este sistema estructural será de 11 metros, lo cual equivale a estructuras de aproximadamente 3 pisos.
En la sección 5.10 del documento se establecen límites específicos para el uso de muros estructurales prefabricados como sistema principal de resistencia a cargas laterales. En estructuras pertenecientes a las categorías de diseño B y C pueden implementarse muros estructurales de capacidad de disipación de energía moderada sin límite de altura. Por otro lado, para edificaciones pertenecientes a las categorías de diseño sísmico D, E y F se establece un límite de 14 metros de altura, lo cual equivale aproximadamente a estructuras de 4 pisos.
El documento PCI Design Handbook presenta información que resume los coeficientes de diseño y las limitaciones que aplican sobre los sistemas estructurales que contempla. Esta información se encuentra contenida en la tabla Design Aid 4.11.8, la cual corresponde a la Tabla 12.2-1 del documento ASCE 7-10.
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2
SISTEMAS UTILIZADOS A NIVEL MUNDIAL
2.1
Smart Green Frame (SGF)
2.1.1 Proceso Constructivo
El sistema Smart Green Frame (SGF), el cual es un subgrupo de las estructuras que pertenecen a los sistemas Modularized Hybrid System (MHS) provee una solución económica y eficiente utilizando las bondades de la construcción en acero con los bajos costos de las construcciones de concreto. Este sistema constructivo permite reducir las cantidades de obra en comparación a sistemas convencionales (Kim, Hong, Kim, & Kim, 2013).
El sistema SGF utiliza elementos prefabricados conectados por medio de secciones metálicas de perfil W pernadas. La estructura se compone por medio de dos unidades principales: viga-columna
(Ver Figura 1) y viga (Ver Figura 2).
Figura 1. Unidad viga-columna (Kim, Hong, Kim, & Kim, 2013)
Figura 2. Unidad viga (Kim, Hong, Kim, & Kim, 2013)
En las figuras anteriores se observa que las conexiones componen una fracción pequeña del material ya que los perfiles metálicos se ubican exclusivamente en los extremos de la viga y en la ubicación de la conexión sobre la columna. Se ha realizado estudios sobre el comportamiento de estas conexiones pernadas se ha concluido que responden similarmente a las conexiones utilizadas en estructuras de acero convencionales y por lo tanto tienen la capacidad de transmitir las fuerzas cortantes del sistema de piso correctamente (Jurkiewiez & Hottier, 2004). El uso de estas conexiones permite armar la estructura principal con la velocidad de la construcción en acero sin sacrificar los beneficios económicos que genera utilizar perfiles en concreto prefabricado.
Las unidades viga-columna es conectan entre si verticalmente por medio de placas de acero (Figura 3), asegurando la continuidad del refuerzo longitudinal de la columna y permitiendo
Página | 14 mantener la velocidad de construcción constante. Se ajusta la conexión de las dos unidades por medio de pernos de conexión. Los espacios vacíos que existan en los puntos de conexión se llenan con concreto al terminar el proceso de conexión. Las conexiones entre las unidades viga-columna
se ubican en los lugares donde el momento a flexión es cero, con el fin de reducir posibles esfuerzos y asegurar que el proceso sea rápido y seguro.
Figura 3. Unión entre las unidades viga-columna (Kim, Hong, Kim, & Kim, 2013)
Figura 4. Conexiones columna – columna (Hong, Lim, Park, & Kim, 2012)
En la Figura 4 se presentan las tres posibilidades de conexiones columna-columna, las cuales varían según se conecten las barras de refuerzo para asegurar su continuidad (Hong, Lim, Park, & Kim, 2012). La figura izquierda muestra la conexión tipo sleeve, en la cual la columna superior y la inferior son conectadas llenando la conexión con mortero sin retracción luego de insertar el final del refuerzo de la columna inferior en la cara inicial de la columna superior. La figura central muestra la conexión tipo coupler, en la cual se conectan las barras de refuerzo de la columna superior a la placa de conexión de la columna inferior por medio de acopladores. La última figura muestra el esquema de la conexión tipo pressure welding, en la cual la conexión se los refuerzos de ambas columnas se unen por medio de soldadura de presión.
Página | 15 Una limitación presente en la construcción de muros o pórticos prefabricados es la necesidad de arriostrar lateralmente los elementos para soportar cargas horizontales durante la etapa de construcción de la estructura y en particular antes de formar el sistema de piso. El sistema SGF soluciona esta limitación por medio de las conexiones que utiliza, pues aumentan la estabilidad de la estructura durante el proceso de construcción. Un estudio en el cual se comparó la duración de construcción de sistemas con muros portantes con la duración de construcción del SGF concluyó que a medida que la altura de la estructura aumenta, el SGF se vuelve más atractivo. Para un edificio de 30 pisos se observó lo siguiente:
- Para construir un piso con muros portante se necesitan aproximadamente 7 días para terminar un nivel. Proyectando esta información se estima que esta estructura se terminará en 210 días.
- Por otra parte, para construir tres pisos con el sistema SGF se requieren aproximadamente 10 días de trabajo. Utilizando este estimado inicial se calcula que la estructura principal estaría lista en 100 días.
Estos resultados indican que el sistema SGF puede constituir una alternativa competitiva, pues construir un edificio de 30 pisos el sistema de muros portantes requiere un periodo total de construcción 52.4% más largo que el sistema SGF (Kim, Hong, Kim, & Kim, 2013). Uno de los factores que genera esta variación en los tiempos constructivos es que el sistema SGF reduce el uso de encofrados al utilizar elementos fabricados en plantas especializadas y no dentro de la obra. El uso de encofrados es además es una causa de incertidumbre durante la programación de la obra, pues el tiempo asociado a los procesos de encofrado y desencofrado dependen en gran medida de la habilidad y velocidad de la mano de obra disponible (Hong, y otros, 2009).
Por otra parte, el sistema SGF no solo reduce los costos de la obra gracias a la reducción en los tiempos constructivos sino que además también genera una disminución en las cantidades de obra. Estudios realizados han concluido que el implementar el sistema SGF permite reducir en aproximadamente un 30% la cantidad de concreto y de acero requerida, y gracias a esto se logra disminuir en un 30% el consumo energético en obra (Hong, Lim, Park, & Kim, 2012).
El efecto ambiental de la obra se reduce al implementar el sistema SGF, ya que al tener una obra programada que difícilmente se retrasará se puede optimizar el uso de toda la maquinaria utilizada, lo que reduce desperdicios de energía y material y minimiza la emisión de gases contaminantes (Hong, y otros, 2009).
Adicionalmente, la construcción del sistema SGF reduce el tamaño del sitio de construcción ya una gran porción del proceso se lleva a cabo en plantas industrializadas, minimizando los procesos que involucran a los obreros y reduciendo la probabilidad de accidentes.
Otra ventaja de implementar el sistema SGF en comparación a sistemas convencionales es la amplificación del periodo fundamental de la estructura. Al presentar un periodo fundamental más largo se obtienen valores de respuesta espectral menores, lo cual se traduce en solicitaciones sísmicas menos críticas (Hong, y otros, 2009).
Página | 16 2.1.2 Resultados experimentales
2.1.2.1 Vigas de sección compuesta
En el 2008 se llevó a cabo una investigación experimental para determinar la capacidad de una sección compuesta por un perfil metálico de sección W y concreto prefabricado. Gracias a los beneficios propios de este tipo de sección se consiguió una reducción en la altura del perfil W y en consecuencia se disminuyó la altura del sistema de piso sin comprometer la capacidad del elemento. Esta investigación se enfocó en evaluar el efecto del tamaño de la sección y del refuerzo longitudinal en el comportamiento del elemento.
En la siguiente figura se muestra el elemento terminado. El perfil de acero ya ha sido perforado para la conexión con la unidad viga-columna y el concreto sea fundido sobre la aleta inferior el perfil.
Figura 5. Viga compuesta (Hong, y otros, Composite beam composed of steel and precast concrete (modularized hybrid system, MHS), 2008)
Se evaluaron cuatro vigas compuestas en escala real para determinar la carga de fluencia y la carga máxima que soporta el elemento. El montaje utilizado para las pruebas consistió en ubicar actuadores dinámicos con capacidad de 2000 kN en los tercios de la longitud libre de las vigas de 10 metros de longitud. Por medio de actuadores se aplicaron cargas cíclicas.
Durante las pruebas de las vigas se observó que la capacidad de disipación de energía de estos elementos es aceptable ya que la ductilidad fue suficiente para soportar todo el ciclo de carga dinámica a la cual se sometieron los elementos evaluados.
Una observación relevante obtenida de los ensayos fue que la deformación correspondiente a la capacidad máxima de la sección fue el doble de la deformación correspondiente a la carga de fluencia. Lo anterior se concluyó ya que las grietas desarrolladas bajo el límite de servicio (deflexión igual a L/360) fueron aceptables. En el momento de falla la viga presento aplastamiento y descascaramiento del concreto, lo cual permite que tanto el refuerzo a tensión como la aleta inferior del perfil embebido queden expuestos. En este estado también se presentan rotaciones plásticas importantes.
Página | 17 Figura 6. Viga deformada en el estado límite de falla
Este estudio demostró que implementar estas secciones compuestas no implica un incumplimiento en los lineamientos de la normatividad vigente, ya que gracias a la ductilidad que genera la integración de los materiales la viga logró llegar a deflexiones mayores a las mínimas en términos de serviciabilidad, demostrando así un comportamiento adecuado para soportar las solicitaciones a las que estaría expuesta. Adicionalmente, es importante resaltar que el estudio demostró que no hay implicaciones negativas al utilizar secciones compuestas con el fin de obtener una solución económica por medio de una reducción en la altura del sistema de piso.
2.1.2.2 Diseño de un edificio de 19 pisos
En 2009 el mismo grupo de investigadores decidió poner en práctica el uso del sistema hibrido. Para evaluar los resultados rediseñaron un edificio de 18 pisos cuya altura estaba restringida por la normatividad local. En el nuevo diseño la estructura se construiría con el sistema de pórticos MHS, con lo que se espera reducir la altura de entrepiso a tal punto que el nuevo diseño defina una estructura de 19 pisos, sin aumentar la altura de la estructura.
Para lograr la disminución del entrepiso deseada se diseñan las vigas para que las placas se construyan sobre los bordes del concreto fundido en forma U (Ver Figura 7) y no sobre la aleta del perfil metálico. Este detalle de diseño aseguro que el entrepiso sufriera una reducción de 0.22 metros por piso.
Figura 7. Viga Forma U
La Tabla 8 (tomada del documento original) contiene una comparación entre las alturas de los niveles y el espesor del sistema de piso según los diseños de la estructura en acero y los diseños de la estructura implementando el sistema MHS. El detalle más relevante de dicha comparación es
Página | 18 que con el nuevo sistema se logró reducir la altura del sistema de piso hasta el punto en que el nuevo diseño agrega una planta adicional, reduciendo la altura total de la estructura y sin sacrificar la altura de piso de manera importante.
Tabla 8. Comparación de la altura de entrepiso entre los dos sistemas (Hong, y otros, 2009)
En la Figura 8 se presentan dos fotografías tomadas en el sitio de la construcción durante el montaje de las columnas y las vigas; el montaje de la columna se realiza rápidamente ya que se instalan cuatro pisos de columnas cada vez, solo volviendo a la instalación de las columnas cuando las vigas ya han sido instaladas. En la Figura 9 se observa un instante del procedimiento de conexión de la viga con pernos de alta resistencia y capacidad; gracias a estas conexiones prefabricadas y estandarizadas la construcción de la estructura es limpia, rápida, generadora de muy poco desperdicio de material y con altos estándares de calidad.
Página | 19 Figura 9. Conexión con pernos de alta resistencia (Hong, y otros, 2009)
2.2
Project SAFECAST
2.2.1 Metas del proyecto
El proyecto SAFECAST es la última etapa de una serie de investigaciones que buscan estandarizar en la normativa europea el uso de estructuras prefabricadas en todas las zonas de amenaza sísmica (Toniolo, 2014). La motivación de este proyecto desarrollado por la institución “Europan Commission Joint Research Centre” se encuentra en la falta de conocimiento profundo del comportamiento de sistemas estructurales prefabricados en concreto, en particular con respecto a las conexiones y la interacción entre los elementos fundidos en sitio y los prefabricados.
Los objetivos principales del proyecto fueron:
- Generar conocimiento más apropiado sobre el comportamiento sísmico de estructuras prefabricadas.
- Desarrollar herramientas útiles, adecuadas y verificadas para el diseño estructuras prefabricadas.
- Lograr incluir en los códigos de diseño especificaciones que permitan utilizar este tipo de estructuras y aprovechar las propiedades de las conexiones innovadoras.
Para alcanzar estas metas, el proyecto culminó con el estudio de una estructura de tres pisos prefabricada por medio de varios ensayos pseudo-dinámicos.
2.2.2 Ensayo pseudo-dinámico
Se construyó un prototipo en escala real con el fin de evaluar el comportamiento sísmico de una estructura de varios pisos construida con elementos prefabricados. Se decidió estudiar una estructura de tres pisos con luces libres de siete metros. Inicialmente se contempló la posibilidad de construir el montaje con dos luces en una dirección y tres en la dirección perpendicular pero los estudios previos revelaron que los modos de vibración superiores tendría un efecto importante, lo cual generaba fuerzas en los algunos pisos que no podían ser soportadas por los actuadores utilizados en el montaje. En consecuencia, se tomó la decisión de construir el espécimen con dos luces en ambas direcciones (Ver Figura 10).
Página | 20 Figura 10. Estructura estudiada (Negro, Bournas, & Molina, 2013)
En la figura anterior se presentan las dimensiones de la estructura. La altura total del espécimen estudiado se compone de 1.0 metros de cimentación y alturas entre pisos de 3.5 metros, 3.2 metros y 3.2 metros para el primer, segundo y tercer nivel, respectivamente. Todos los elementos de la estructura se fundieron utilizando concreto con resistencia superior a 60 MPa.
El prototipo fue construido para estudiar varios parámetros y en consecuencia se contemplaron cuatro configuraciones dentro de la misma estructura.
Prototipo 1 Prototipo 2
Prototipo 3 Prototipo 4
Página | 21 La primera configuración, denominada Prototipo 1, se concibió como un sistema dual que utiliza pórticos con conexiones rotuladas y muros portantes. Esta configuración inicial pretendía evaluar el comportamiento de la estructura contemplando elementos que la rigidizaran, por lo tanto las conexiones entre la estructura y el muro pasaron a un plano secundario.
En la segunda configuración, denominada Prototipo 2, se desconectaron los muros de cortante prefabricados para evaluar el comportamiento de la estructura típica de conexiones con rotación libre.
La siguiente configuración, denominada Prototipo 3, se evaluó el uso de conexiones que lograran emular una conexión resistente a momento en los elementos de la placa de la cubierta únicamente.
La última configuración, denominada Prototipo 4, evaluó las mismas conexiones que el Prototipo3
pero en todos los niveles del espécimen construido.
El funcionamiento y comportamiento de las conexiones se explica en detalle en el documento complementario “Pseudodynamic tests on a full-scale 3-storey precast concrete building: Behavior of the mechanical connections and floor diaphragms” (Bournas, Negro, & Molina, 2013)
2.2.2.1 Especificaciones del ensayo
El modelo utilizado para los ensayos combino las bondades de la experimentación física y la modelación computacional. La ecuación de movimiento que gobierna el comportamiento del modelo es la siguiente:
( ) ( ) ( ) ( )
Donde M representa la matriz de masa de la estructura; C representa la matriz de amotiguamiento de la estructura; R(t) representa las fuerzas restauradoras en el tiempo t; a(t) representa la aceleración de la estructura en el tiempo t; v(t) representa la velocidad de la estructura en el tiempo t; I representa un vector de ceros y unos asociados a la dirección de la señal de entrada con respecto a los grados de libertad de la estructura; y ag(t) es el registro de aceleraciones de entrada al sistema.
Dado que este montaje experimental pretendía lograr llevar a la estructura al rango inelástico y observar su comportamiento, la matriz de amortiguamiento C se supuso nula ya que la disipación histerética de energía se contempla por medio de la relación entre las fuerzas restauradoras y los desplazamientos.
La matriz de masa de la estructura en la simulación se construyó utilizando valores superiores a los reales con el fin de contemplar la masa de elementos adicionales que pudieran estar ubicados sobre la estructura. En el análisis pseudo-dinámico no es necesario que las masas adicionales se encuentren realmente sobre el modelo experimental, tan solo deben ser contempladas en el modelo número; claramente la decisión anterior supone una magnitud de carta axial ligeramente inferior sobre las columnas.
Página | 22 El ensayo pseudo-dinámico funciona siguiendo los siguientes pasos teniendo en cuenta que se espera que las fuerzas restauradoras R(t) presenten un comportamiento no lineal con respecto a los desplazamientos de la estructura:
1. El vector de las fuerzas restauradoras R(t) asociadas a los grados de libertad seleccionados se mide directamente en el modelo físico de la estructura.
2. En cada instante de tiempo t se soluciona la ecuación de movimiento por medio del modelo computacional con el fin de obtener: la aceleración en el tiempo t (vector a(t)), la velocidad en el tiempo t (vector v(t)) y los desplazamientos en el instante de tiempo siguientes (vector d(t+Δt)).
3. Los desplazamientos calculados para el instante siguiente (t+Δt) se imponen sobre el modelo físico por medio de los actuadores instalados y se obtienen las fuerzas restauradoras del instante siguiente R(t+Δt), con lo cual se cierra el ciclo correspondiente al instante t.
Los desplazamientos calculados para el primer piso se aplicaron por medio de cuatro actuadores hidráulicos con capacidad máxima de 500 kN, mientras que los desplazamientos de los dos pisos superiores fueron aplicados utilizando dos actuadores hidráulicos por piso con capacidad máxima de 1000 kN. Con el fin de distribuir los desplazamientos uniformemente se utilizaron vigas de acero que conectaban los ejes de aplicación de la carga de los actuadores.
2.2.2.2 Señal de entrada
La señal de entrada seleccionada para realizar los ensayos pseudo-dinámicos fue un registro tomado durante un evento sísmico real (Tolmezzo, Italia en 1976). La señal se modificó para ajustar el espectro de respuesta al espectro de diseño del Eurocode 8. Las figuras presentadas a continuación muestran la señal de entrada seleccionada escalada para que el pico de la señal sea de 1.00 g y su respectivo espectro de respuesta.
Figura 12. Señal de entrada escalada (Negro, Bournas, &
Molina, 2013) Figura 13. Espectro de respuesta de la señal de entrada (Negro, Bournas, & Molina, 2013)
Página | 23 El registro de aceleraciones de la Figura 12 se escaló para tres situaciones:
- Aceleración máxima del registro igual a 0.15 g para el estado límite de servicio. Se realizaron ensayos con esta versión del registro utilizando el Prototipo 1 (Prot1_0.15g) y el
Prototipo 2 (Prot2_0.15g)
- Aceleración máxima del registro igual a 0.30 g para el estado límite de prevención del colapso. Se realizaron ensayos con esta versión del registro utilizando el Prototipo 1
(Prot1_0.30g), el Prototipo 2 (Prot2_0.30g), el Prototipo 3 (Prot3_0.30g) y Prototipo 4
(Prot4_0.30g).
- Aceleración máxima del registro igual a 0.45 g para superar el estado límite de prevención del colapso. Se realizó un ensayo con esta versión del registro utilizando el Prototipo 4
(Prot4_0.45g).
Se añadieron algunos segundos adicionales al registro de entrada con aceleración igual a cero, con el fin de permitir que la estructura responda en vibración libre por unos instantes.
Es importante aclarar que los ensayos se realizaron consecutivamente sobre el mismo prototipo, por lo cual el daño a la estructura fue acumulativo.
2.2.2.3 Resultados obtenidos
2.2.2.3.1 Prototipo 1
Durante el ensayo para el estado límite de servicio se encontró que el periodo fundamental de vibración de la estructura era de 0.30 segundos y en consecuencia la estructura puede clasificarse como rígida, lo cual es consistente con las suposiciones iniciales ya que los muros deberían reducir la flexibilidad del espécimen evaluado. Al incrementar el pico de la señal de entrada para alcanzar el estado límite de prevención del colapso se determinó que el periodo fundamental de la estructura se incrementó a 0.46 segundos, cambio que responde a la perdida de tensión en los elementos verticales como consecuencia del ensayo anterior.
Figura 14. Cortante en la base vs. desplazamiento en cubierta (Prot1_0.15g) (Negro, Bournas, & Molina, 2013)
Figura 15. Cortante en la base vs. desplazamiento en cubierta (Prot1_0.30g) (Negro, Bournas, & Molina, 2013)
Página | 24 En la Figura 14 se observa que la estructura tuvo la capacidad de mantenerse en el rango elástico bajo la influencia del sismo de diseño para el estado límite de servicio. Esta situación no se presentó para el sismo del estado límite de prevención del colapso, pues al graficar la respuesta de la estructura en términos del cortante en la base contra el desplazamiento en la cubierta se evidencia un comportamiento no lineal.
Una inspección visual permitió concluir que el segundo ensayo generó fisuras en las zonas de momento máximo en los muros prefabricados. Dichas fisuras se presentaron cerca de la base de los muros. Pese a que los muros no alcanzaron su máxima capacidad se logró obtener un resultado satisfactorio al obtener evidencia del impacto que este tipo de elementos tiene sobre la rigidez global de la estructura.
2.2.2.3.2 Prototipo 2
El periodo fundamental de la estructura constituida únicamente por los pórticos con conexiones que permiten el giro para e ensayo para el estado límite de servicio fue de 1.10 segundo, lo cual evidentemente implica que esta segunda configuración presenta una flexibilidad superior en relación a la configuración del Prototipo 1. Se encontró un incremento importante al evaluar el periodo fundamental de la estructura bajo el sismo con aceleración máxima de 0.30g, pues en este caso el periodo calculado fue de 1.40 segundos. Este incremento pudo haber sido causado por el leve daño acumulativo que ha estructura sufrió durante los ensayos anteriores.
La respuesta de la estructura con la segunda configuración presentó una diferencia importante con respecto a la configuración anterior: los modos de vibración altos tienen una influencia importante sobre la respuesta del prototipo. La afirmación anterior se basa en el comportamiento observado en las curvas “Cortante en la base vs. Desplazamiento en cubierta” presentadas a continuación:
Figura 16. Cortante en la base vs. desplazamiento en
cubierta (Prot2_0.15g) (Negro, Bournas, & Molina, 2013) cubierta (Prot2_0.30g) (Negro, Bournas, & Molina, 2013) Figura 17. Cortante en la base vs. desplazamiento en
Aparentemente la estructura se mantuvo en el rango lineal para el ensayo Prot2_0.15g, pero los registros que se salen de la tendencia lineal son la consecuencia del efecto de los modos superiores, que desfasan la respuesta de la estructura. En la Figura 17 se observa el mismo fenómeno producido por los modos superiores, pero también se observa que las deformaciones
Página | 25 de la cubierta durante el segundo ensayo de la configuración 2 son considerablemente superiores a las obtenidas durante los ensayos anteriores.
Durante ambos ensayo la estructura no logró cumplir con los límites de derivas de piso máximas establecidos en el documento Eurocode 8 (Δpiso max=1%). Es más, en el ensayo Prot2_0.30g la respuesta de la estructura se caracterizó por deformaciones excesivas.
A pesar de no respetar los límites de derivas establecidos por la normatividad de referencia y de que la estructura se sometiera a deformaciones importantes, los resultados de la prueba son satisfactorios ya que tras una inspección visual se determina que los daños que presenta el espécimen de estudio son poco significantes.
2.2.2.3.3 Prototipo 3
La tercera configuración estudiada solo se somete a la señal del estado límite de prevención del colapso. Este prototipo presenta un cambio con respecto al Prototipo 2: Se emulan conexiones resistentes a momento por medio del sistema de conexión mecánica implementado únicamente para los elementos de la cubierta. Este cambio en el último piso genera un aumento en la rigidez de la estructura y por lo tanto una reducción en el periodo fundamental de vibración, el cual se calculó en 1.08 segundos.
Pese a esta reducción, se descubrió que activar las conexiones resistentes a momento que emulan el comportamiento de una estructura monolítica únicamente en la cubierta no resulta efectivo. Lo anterior se concluye a partir del aumento en las derivas de piso con respecto al ensayo anterior (Prot2_0.30g). Adicionalmente, se concluye que la estructura continua siendo influenciada por los modos superiores ya que las fuerzas y los desplazamientos siguen estando fuera de fase como se observa en la siguiente figura.
Figura 18. Cortante en la base vs. Desplazamiento en cubierta (Prot3_0.30g)
A partir de este ensayo se concluyó que esta configuración no resulta ser una buena solución para reducir las derivas de piso ya que a pesar de lograr una reducción importante en las derivas del tercer piso, la magnitud de las derivas aumentó en los dos primeros pisos de la estructura.
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2.2.2.3.4 Prototipo 4
La última configuración estudiada consistió en activar las conexiones que emulen una unión entre elementos fundidos monolíticamente en los elementos de todos los pisos de la estructura. Este prototipo fue sometido a dos registros de aceleración escalados con respecto a la aceleración máxima: 0.30g y 0.45g. Al someter a la estructura a la primera señal se obtuvo un periodo fundamental de vibración de 0.66 segundos, con lo cual se confirmó que el efecto de las conexiones es suficiente para lograr aumentar la rigidez de la estructura. Cuando se sometió la estructura al segundo registro de aceleraciones el periodo calculado fue de 1.25 segundos, lo cual implicó una reducción importante de la rigidez causada por las gritas y los daños que la estructura sufrió durante el ensayo anterior.
Figura 19. Cortante en la base vs. Desplazamiento en cubierta (Prot4_0.30g) (Negro, Bournas, & Molina, 2013)
Figura 20. Cortante en la base vs. Desplazamiento en cubierta (Prot4_0.45g) (Negro, Bournas, & Molina, 2013)
En las figuras anteriores se presentan las curvas “Cortante en la base vs. Desplazamiento en cubierta” correspondientes a los dos ensayos realizados sobre la cuarta configuración. Se observa que los desplazamientos del ensayo Prot4_0.30g resultaron ser menores a los del ensayo realizado sobre el Prototipo 3 para la misma señal de entrada. También es importante resaltar que las fuerzas inerciales resultaron ser mucho mayores a las obtenidas anteriormente. Lo anterior confirma que la configuración resultó más rígida que la configuración anterior y gracias a ello su respuesta estuvo dominada por el primer modo de vibración.
Una inspección visual después del primer ensayo concluyó que no se habían generado daños adicionales. Por el contrario, al realizar la inspección visual sobre la estructura luego del segundo ensayo se encontraron daños en la base de las columnas y en la zona inferior de las vigas. En las columnas el daño observado se limitó a la aparición de fisuras adicionales, pero en las vigas el daño indicó que en la zona cercana a la conexión viga-columna se presentó fluencia de la sección transversal.
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2.2.2.3.5 Resumen de resultados
En la tabla presentada a continuación se muestra un resumen de los resultados de los ensayos descritos en las secciones anteriores.
Tabla 9. Resumen de los resultados obtenidos (Negro, Bournas, & Molina, 2013)
ID Ensayo
Periodo fundamental
(s)
Cortante en la base máximo (kN) Desplazamiento máximo en la
cubierta (mm)
Sentido positivo Sentido negativo Sentido positivo Sentido negativo
Prot1_0.15g 0,30 1340 -1457 21,90 -16,80
Prot1_0.30g 0,46 1780 -2146 48,20 -60,30
Prot2_0.15g 1,09 500 -442 97,40 -86,60
Prot2_0.30g 1,41 882 -895 208,20 -172,90
Prot3_0.30g 1,08 889 -859 198,70 -148,40
Prot4_0.30g 0,66 1715 -1454 132,50 -121,20
Prot4_0.45g 1,25 1846 -1902 189,30 -206,50
Según los resultados anteriores, la configuración que provee a la estructura con la mayor rigidez es la del Prototipo 1 ya que está asociada al periodo fundamental de vibración más bajo. La configuración del Prototipo 2 y del Prototipo 3 resultaron ser más flexibles que la primera. La última configuración logra incrementar la rigidez nuevamente y a la vez genera desplazamientos inferiores a los obtenidos en las dos configuraciones anteriores bajo la misma señal, pero a cambio de generar las fuerzas inerciales mayores.
En la Figura 21 se presenta una comparación gráfica entre las derivas de piso máximas obtenidas como respuesta de los prototipos sometidos a la señal con aceleración del suelo máxima (PGA por su nombre en inglés) igual a 0.15g. Es claro que el efecto de los muros prefabricados es fundamental, ya que gracias a ellos las derivas se reducen y permiten cumplir el límite impuesto por la normatividad utilizada como referencia en la investigación realizada. Independientemente del sentido de aplicación de la carga, siempre el Prototipo 2 genera derivas superiores a las del
Prototipo 1.
Figura 21. Derivas de piso por prototipo (PGA=0.15g)
0,12 0,24 0,31 0,58 1,12 1,28 1 2 3
Derivas de piso (%) PGA=0.15g Sentido Positivo
Prototipo 2 Prototipo 1
0,15 0,19 0,21 0,57 0,99 1,08 1 2 3
Derivas de piso (%) PGA=0.15g Sentido Negativo
Página | 28 En la figura a continuación se comparan las derivas de piso máximas obtenidas como respuesta de los prototipos sometidos a la señal con aceleración del suelo máxima (PGA por su nombre en inglés) igual a 0.30g. De acuerdo con las relaciones entre la rigidez de las diferentes configuraciones se esperaría que el Prototipo 1 y el Prototipo 4 respondieran con derivas inferiores a aquellas de los otros dos prototipos. Según los resultados obtenidos, la suposición inicial es correcta ya las derivas más bajas corresponden al sistema con muros prefabricados, seguido por el sistema que en todas las conexiones emula a las estructuras monolíticas. También se observa que gracias a las conexiones que restringen el giro en la cubierta del Prototipo 3 la situación más crítica en términos de derivas no se presenta en el tercer piso (como es el caso del Prototipo 2) sino en el segundo.
Figura 22. Derivas de piso por prototipo (PGA=0.30g)
2.2.2.3.6 Último ciclo
El Prototipo 4 fue sometido a un ciclo final para lograr evaluar la capacidad última de la estructura, dado que los ensayos anteriores no lograron alcanzar ese nivel de solicitaciones. Se ejecutó un ciclo controlando los desplazamientos, empezando por un desplazamiento cercano al desplazamiento máximo de los ensayos anteriores y escogiendo un ciclo progresivo de aumentos de 90 mm. En la figura a continuación se presenta la curva “Cortante en la base vs. Desplazamiento en la cubierta” en la cual se puede apreciar claramente el comportamiento histerético del espécimen evaluado así como la caída de la rigidez progresiva y la generación de deformaciones permanentes.
Figura 23. Cortante en la base vs. Desplazamiento en cubierta (Ciclo final)
0,42 0,71 0,72 1,39 2,36 2,63 1,74 2,54 1,77 1,38 1,59 1,15 1 2 3
Derivas de piso (%) PGA=0.30g Sentido Positivo
Prototipo 4 Prototipo 3 Prototipo 2 Prototipo 1
0,3 0,54 0,63 1,19 1,99 2,1 1,37 1,91 1,23 1,32 1,43 0,95 1 2 3
Derivas de piso (%) PGA=0.30g Sentido Negativo
