Diseños sismico conexion

Sociedad Mexicana de Ingeniera EstructuralSociedad Mexicana de Ingeniera Estructural

DISEO SSMICO DE LA CONEXIN LOSA-COLUMNA EN LOSAS PLANAS

POSTENSADAS ALIGERADAS

Eduardo Arellano Mndez1 y Oscar Manuel Gonzlez Cuevas1

RESUMEN En este trabajo se presentan los resultados experimentales de la conexin losa-columna interior de un sistema estructural con sistema de piso formado por losas postensadas aligeradas sin vigas. Se estudi el comportamiento de las conexiones a escala 1 a 1. Se presentan los resultados de cuatro elementos reforzados para prevenir la falla de punzonamiento, dos fueron reforzados con estribos y dos con pernos conectores de cortante. Se estudia el modo de falla, la resistencia y la ductilidad.

ABSTRACT In this paper the influence of the flexural reinforcement ratio on the mode of failure, strength, and ductility is studied in experiments on interior slab-column connections transferring shear force or shear force combined with unbalanced moment. Four full-sized slab-column connections were tested, two specimens had stirrups, while other two specimens were reinforced against punching shear by" shear studs".

ANTECEDENTES Las losas postensadas se emplean para cubrir grandes claros en la construccin de edificios de departamentos, oficinas, estacionamientos, etc. Su uso supone varias ventajas como la mayor separacin entre columnas con el mismo peralte de losa, control de las deflexiones mximas ante carga vertical, etc. Su empleo se ha popularizado en los ltimos aos debido a la tendencia actual de vender los espacios en los edificios sin acabados ni muros divisorios para que el propietario final sea quien realice la distribucin de acuerdo con sus necesidades, por ello, el empleo de losas postensadas encasetonadas brinda mayor libertad arquitectnica. En la Ciudad de Mxico, de 1994 a 2000, se construyeron ms de 2.5 millones de metros cuadrados de entrepisos postensados, en las tres zonas ssmicas (Cortina, 2001). En algunos edificios se han empleado slo en los stanos destinados a estacionamientos donde el desplazamiento relativo de entrepiso es prcticamente nulo (ver figura 1) y son diseadas solo por carga axial. Existen edificios en los que se emplean junto con sistemas sismorresistentes que limitan los desplazamientos de entrepiso (Kang, 2005).y dichas losas slo aportan su accin como diafragma rgido, (ver figura 2). Las losas planas postensadas pueden disearse y construirse como aligeradas o como macizas. En Mxico, se emplean ms las losas postensadas aligeradas aunque requieren ms mano de obra, debido a que el costo total est compuesto por el 40% en mano de obra y 60% en materiales (Cortina, 2006), mientras que en pases como Estados Unidos el costo total se divide en 60% debido a mano de obra y 40% a materiales (Englekirk, 2006).

1 Profesor, Universidad Autnoma Metropolitana, Av. San Pablo Xalapa No. 180, Col. Reynosa

Tamaulipas, Del. Azcapotzalco, C.P. 02200, Mxico, D.F. Telfono, (55) 53189461; fax: (55) 5528-9085; [email protected], [email protected] , [email protected]

1

XVII Congreso Nacional de Ingeniera Estructural Len, Guanajuato 2010.

Figura 1. Losas postensadas encasetonadas en stanos La estructura completa se forma por dos sistemas, un sistema un sistema sismoresistente exterior formado par marcos robustos de concreto o por muros y un sistema gravitacional formado por la losa apoyada directamente sobre las columnas, el sistema gravitacional tiene poca o casi nula capacidad para resistir las fuerzas laterales (ver figura 2)

Figura 2. Losas postensadas en edificios con sistema sismorresistente exterior.

2


USTIFICACIN

de diseo desarrolladas para elementos tan istintos, puede conducir a resultados poco conservadores.

usen en combinacin con un sistema resistente cargas laterales como muros o marcos de concreto.

BJETIVO GENERAL.

idos por sismo, mientras soportan cargas erticales sin que ocurra la falla de penetracin por cortante.

bjetivo especfico

ativo de entrepiso ante diferentes relaciones de fuerza ortante actuante entre fuerza cortante resistente.

ESCRIPCIN DEL PROYECTO.

omportamiento de la conexin losa-columna y determinar la curva de comportamiento experimental.

spcimen de Pruebas

estructura cuenta on un sistema sismorresistente en el permetro capaz de tomar toda la fuerza ssmica.

J Uno de los problemas ms importantes en el comportamiento de las losas planas postensadas, se refiere al cortante por penetracin en la unin losa columna. Existen nuevos tipos de refuerzo por cortante para la unin losa-columna que proporcionan gran capacidad de deformacin sin que se presente el punzonamiento por cortante. El refuerzo de la unin losa columna, se basa en un extenso programa experimental desarrollado en Canad y en Estados Unidos en el que se ensayaron placas planas. En Mxico y en particular en el Distrito Federal, no se construyen placas planas, por lo que basar el diseo de losas postensadas encasetonadas en las recomendacionesd Empleando placas planas y pernos conectores de cortante, es posible lograr un comportamiento dctil en la conexin losa columna. Reglamentos como el IBC-06 y el ACI-318-05, han establecido lmites para el desplazamiento relativo de entrepiso de 0.0125 y factores de comportamiento smico de 3.85, similares a los marcos dctiles mencionados en las Normas Tcnicas Complementarias para Diseo y Construccin de Estructuras de Concreto (NTC-C) siempre y cuando se a O Establecer recomendaciones de diseo para que las losas postensadas encasetonadas sean capaces de mantener su integridad ante desplazamientos laterales inducv O Determinar los lmites para el desplazamiento relc D El trabajo implica el diseo de un edificio que use losas postensadas como sistema gravitacional y un sistema sismorresistente exterior de marcos de concreto con vigas peraltadas. Una vez diseado el sistema, se toma una conexin interior de losa y columna que sea representativa del comportamiento y se delimita el tamao de la zona que se ensayar. La etapa experimental, consiste en construir y probar especimenes con diferentes combinaciones de refuerzo y niveles de carga axial para poder describir elc E Para no introducir en los ensayes el efecto de escala, se ha diseado un prototipo pequeo, una estructura simtrica, con claros de 6 m, con suficientes crujas, para que la conexin interior no tenga momentos de desequilibrio ante cargas verticales, ver figura 7. El peralte total de la losa es de 0.19 m, con una capa de compresin 0.05 m y casetones de 0.6x0.6m, 0.6x1.1m y 1.1x1.1m lo que da por resultado nervaduras principales de 0.3 m, nervaduras adyacentes de 0.2 m y nervaduras centrales de 0.15m. Las columnas interiores son de 0.3x0.3 m con una altura de piso terminado de 3.0 m, (ver figura 3). Lac

3


Figura 7: Prototipo vista en planta y elevacin.

Zona de estudio

F G

600

600

600

3

2

6020

1560

2015

6060

6060

6015

1515

1520

1511

060

15

26

25

24

23

22

21

16

1

15

14

13

12

11

A1 A2 A3 A4 A5 A6 B1 B2 B3 B4 B5 B6 C1 C2 C3 C4 C5 C6 D1 D2 D3 D4 D5 D6 E1 E2 E3 E4 E5 E6 F1 F2 F3 F4 F5 F6

1560

201560 60 60 60 60

15 15 15 15 20 15110

1560

201560 60 60 60 60

15 15 15 15 20 15110

600

600

600

600

A

7

6

5

4

B C D E

600 600 600 600

60201515

60 60 60 60 6015 15 15 15 20 15

110 602015

60 60 60 60 6015 15 15 15 20 15

110 602015

60 60 60 60 6015 15 15 15 20 15

110 602015

60 60 60 60 6015 15 15 15 20 15

11015

6020

1515

6060

6060

6015

1515

1520

1511

060

2015

6060

6060

6015

1515

1520

1511

060

2015

6060

6060

6015

1515

1520

1511

060

2015

6060

6060

6015

1515

1520

1511

015

66

65

64

63

62

61

56

55

54

53

52

51

46

45

44

43

42

41

36

35

34

33

32

31

602015

60 60 6015 15 15

110

600 600

6 7

600 600

N1

N2

N3

330

330

330

1 2 3 4 5

600 600 600 600

4


Carga equivalente Se emplea el mtodo de la carga equivalente (T. Y. Lin,1963), para determinar la carga aplicada por cada torn de presfuerzo, considerando que el perfil del torn es parablico de acuerdo con la ecuacin 1 y el perfil del cable se muestra en la figura 3:

yCBxAx 2 (1)

y

a

L

wb TT

x

Figura 3 Cable parablico Considerando la ecuacin diferencial del cable (ecuacin 2) y resolviendo la ecuacin cuadrtica con el origen en la parte ms baja de la parbola, se llega a la solucin de la ecuacin diferencial que relaciona la tensin con el perfil del cable:

2

2

xyTwb

(2) La solucin de la ecuacin diferencial permite modelar al cable parablico como una carga uniformemente distribuida actuando en direccin de la concavidad de la parbola. La solucin de la ecuacin diferencial puede verse en la ecuacin 3.

aLwT b

8

2

(3) Debido a que un cable en el espacio estar en equilibrio, deben considerarse las reacciones que se generan el la viga. La representacin de la solucin se ve en la figura 4.

wb

x

VA

L

VB

Figura 4. Carga equivalente

Trayectoria del cable Para no generar momentos en los extremos de la losa, se coloca el cable en el centroide de la nervadura. En el centro del claro y en los apoyos continuos, se busca maximizar la eficiencia del cable, por lo que se le coloca slo el recubrimiento mnimo. Una trayectoria representativa del cable de presenta en la siguiente figura. Idealmente se considera que en la columna el cable pasa horizontal (ver figura 5).

5


w=0.264 ton/m w=0.264 ton/mw=0.319 ton/m

P=0.791 ton P=1.75 ton P=1.917 ton P=1.917 ton P=1.917 ton P=1.75 ton P=0.791 ton

UN CABLE DE PRESFUERZO DE MEDIA PULGADA

UN CABLE EQUILIBRA 10.832 TON

Figura 5 Cargas equivalentes aplicadas al modelo estructural para un cable.

Carga Compensada La carga a compensar depende de la relacin entre la sobrecarga total (S.C.) y el peso propio de la losa (P.P.), en este caso, la relacin de la sobrecarga total dividida entre el peso propio de la losa es menor que uno. La sobrecarga se considera como ligera de acuerdo con la tabla 1 (Simn, 2006), por lo que se compensar el 80% del peso propio. El peso total de la losa de entrepiso que se dise fue de 495.6 ton, considerando que se desea compensar el 80% del peso propio tenemos que la carga por compensar es de 396.5 ton.

Tabla 1 Carga compensada

Sobrecarga Intervalo Carga a compensar Ligera (S.C./P.P.)


El modelo para disear el sistema de piso se hace de un entrepiso sujeto a cargas verticales, la estructura deformada puede verse en la figura 6.

Figura6 Vista deformada del modelo estructural, Vista 3D

El armado final de las nervaduras toma en consideracin dos modelos estructurales, el primero considera el modelo del entrepiso sometido a las cargas gravitacionales mximas y el segundo modelo considera a la estructura completa sometido a fuerzas laterales. La estructura se ubic en la zona II de la clasificacin geotcnica del valle de Mxico. La trayectoria final del torn y el armado puede verse en la figura 7.

97 112 112 97 65 42 1795536 179 55 36 3030 97112112976542179 55 36179553630 30

11 10 5 3 5

10

15 19 19 15

10

3

10

15 19 19 15

10

3

10

15 19 19 15

10

5 3 5

10 11

1 2 3 4 5

14 14

2#32#3 2#6 2#5 2#6

2#4 2#4 2#42#3 2#3 2#3 2#3

2#3 2#3 2#3

Figura 7: Armado de las nervaduras Principales. (Corregir la figura)

ESPCIMEN DE PRUEBA

DESCRIPCIN DEL ESPCIMEN Se tom una seccin de losa de 1.9x1.9m al rededor del nodo que incluye a la columna, a la nervadura principal y a las dos nervaduras adyacentes. La columna interior, tiene una seccin cuadrada de 0.3x0.3m, con un armado longitudinal formado por 6 varillas del # 6, colocadas en dos lechos, los estribos son cerrados de dos ramas formados con varilla del #3. Las nervaduras principales miden 0.3x0.19m, tienen un armado en el lecho superior que consiste en 2 varillas del #6 + 2 varillas del # 3 y 2 torones de presfuerzo, en el lecho inferior, tiene un armado de 2 varillas del #6 + 2 varillas del #3. Las nervaduras adyacentes tienen un armado de 2 varillas del #3 3n 3l l3cho superior y el mismo armado en el lecho inferior, el refuerzo por fuerza cortante consiste en estribos del #3 cerrados de dos ramas con una separacin de 9 cm. El refuerzo por cortante en las nervaduras principales es una de las variables de estudio.

Tabla 2 Caractersticas de los especimenes de prueba

Nombre del espcimen Armado Separacin Carga Axial Fecha de Prueba LP01 Estribos 7 cm 33 ton 19/10/2009 LP02 Estribos 9 cm 25 ton 16/04/2010 LP03 Pernos 11 cm 25 ton 11/08/2010 LP04 Pernos 9 cm 33 ton 03/09/2010

7


Figura 8 Armado de la conexin losa-columna

DESCRIPCIN DE LA CARGA El primer paso es aplicar la carga axial la cul tericamente debera permanecer constante durante la prueba. La carga axial en las columnas, se transmite como fuerza cortante en la unin losa columna. La carga se aplicar en intervalos crecientes, desde cero hasta un valor predeterminado de la relacin V/VR, donde V es el valor de la carga por cortante aplicada como carga axial en la columna inferior, y VR es el valor terico de la carga resistente cuando ocurre la falla de punzonamiento. Se aplicarn diferentes valores de V/VR (0.3, 0.4 y 0.5), la carga se dividir en 20 incrementos, independientemente del valor final de carga aplicada. Posteriormente el experimento se controla por desplazamientos, en las figura 9 se muestran las distorsiones que se aplicarn en forma esttica incremental. Para cada distorsin objetivo, se aplican cuatro ciclos de desplazamiento. Se muestran las diferencias entre los desplazamientos reales en un evento ssmico, y los desplazamientos experimentales (ver figura 10), en los que de acuerdo con la construccin del dispositivo de cargas, lo que se desplazan son los nodos de la columna, mientras que la losa permanece en su lugar. Los desplazamientos en las columnas, se aplican en direcciones opuestas para simular la accin de un sismo.

Historia de desplazamiento en el nodo de control

-60

-40

-20

0

20

40

60

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Ciclos

Des

plaz

amie

nto

(cm

)

Figuras 9 Desplazamientos del nodo de control

En la imagen izquierda que trata de representar el comportamiento "real" durante un sismo, se asume que ante un sismo las columnas se articulan en a la mitad (ACI, 2004), tambin se considera que en la zona de estudio de las nervaduras se tienen articulaciones debido a la inversin del momento debido a sismo (ver figura 10).

8


Figura 10 Desplazamientos reales y Desplazamientos experimentales

CRITERIO DE FALLA. Debido a que el experimento se controla por desplazamiento, debe definirse un lmite para los incrementos de deformacin, el cual consiste en determinar el valor mximo que alcanza la carga lateral, se contina el experimento hasta que en un ciclo de desplazamientos se tenga una prdida de resistencia del 20% respecto a la carga mxima, es decir cuando el momento inducido al espcimen es menor al 80% del momento mximo registrado (Ghali, 2006). Cabe sealar que en algunos ensayes, se continu incrementando el desplazamiento hasta que se le termin la carrera al el equipo de carga, sin embargo los resultados en esas etapas son vlidos solo como evidencia visual del comportamiento de la conexin. INSTRUMENTACIN DEL ESPCIMEN. Instrumentacin Interna Se colocaron galgas extensomtricas (strain gages) al armado del espcimen (ver figura 11), para medir la deformacin unitaria en cada incremento de desplazamiento. Se colocaron strain gages en el armado y en la superficie de concreto. En la tabla 3 se muestra la instrumentacin colocada en cada uno de los especimenes. El espcimen LP01 es el nico al que se le colocaron strain gages en la nervadura principal en la direccin transversal al desplazamiento, sin embargo, en esa direccin las deformaciones unitarias son menores, por lo que a los siguientes elementos no se les coloc instrumentacin en esa direccin.

Figura 11 Instrumentacin interna, en pernos y acero de refuerzo

Tabla 3 Instrumentacin interna

Espcimen Nerv. Princ. Vertical

Nerv. Princ. Transversal

Nerv. Ady. Vertical

Columna Estribos Pernos Concreto total

LP01 16 16 16 16 24 - 5 93 LP02 16 - 16 16 24 - 5 77 LP03 16 - 16 16 - 24 5 77 LP04 16 - 16 16 - 24 5 77

9


Instrumentacin Externa

sponde al anal en que se colocaron los instrumentos en el equipo de adquisicin de datos. (ver figura 11)

Figura 11 Ubicacin de las celdas de carga

(canal 1) sirve como el desplazamiento que se emplea para monitorear el comportamiento del espcimen.

Figura 12 Ubicacin de los transdu tores de desplazamiento

ido, se colocaron 7 transduct res de desplazamiento para corregir los desplazamientos en el espcimen.

Para medir las cargas aplicadas se colocaron 2 celdas de carga para medir la carga axial, 4 celdas de carga para medir las cargas laterales y 2 celdas de carga para medir la variacin en la carga de postensado, en la figura 11 se muestra la ubicacin de las celdas de carga, el nmero de la celda de carga correc

Los desplazamientos se midieron con transductores de desplazamiento (LVDT), se colocaron 4 transductores para determinar el desplazamiento relativo de la columna, se colocaron 8 transductores para medir el desplazamiento de la nervadura principal ubicada en la direccin del desplazamiento (ver figura 12). El desplazamiento en el extremo de la columna donde se aplica la carga axial

c

En la figura 13 se muestra una vista global del espcimen LP04 ante un desplazamiento en el nodo de control de 48 mm. Debido a que el marco de cargas no es completamente rg

o

131

132

133

135

136

134

1 2 3 4

6

5

7

8

10

9

11

12

10


Figura 13 Vista global de la prueba

ANLISIS DE RESULTADOS

RESULTADOS EXPERIMENTALES

Espcimen LP-01 Se detect un comportamiento distinto al esperado debido a que al aplicar la carga axial, el marco de respaldo sufri algunas deformaciones que separaron la losa del marco frontal. Dicha separacin permita una rotacin de cuerpo libre, que alter los resultados. El problema pudo resolverse parcialmente al ajustar una serie de tornillos en el marco frontal para obligar a la losa a permanecer en contacto con ambos marcos (ver figura 14). Sin embargo, cabe destacar que cuando se hizo sta correccin, el espcimen ya se haba agrietado.

Figura 14 Vista global de la prueba La rotacin como cuerpo rgido en el espcimen, le daba una capacidad de deformacin aparente muy grande, sin embargo cuando se limit el desplazamiento como cuerpo rgido y se someti al espcimen a un ciclo de desplazamientos alto, se present una falla de tipo frgil, en los ciclos subsecuentes la carga lateral para producir el mismo desplazamiento nunca alcanz la misma magnitud. El criterio para establecer la falla no pudo aplicarse ya que nunca se logr una carga del 80% de la carga mxima.

11


Se instrumentaron a los estribos adyacentes a la columna, los estribos en la nervadura principal ubicada en direccin del desplazamiento un estribo fluy cuando se reinici la prueba luego de apretar los tornillos. El diseo de las columnas implica que no deben fallar durante la prueba, de hecho las columnas permanecieron elsticas y aunque se presentaron algunas grietas de flexin, su espesor no fue su extensin qued limitada al recubrimiento. De acuerdo con los datos, el acero en las columnas no alcanza la fluencia ni en la primera etapa del ensayo ni en la segunda etapa, lo anterior, puede considerarse vlido si se observa el patrn de agrietamientos de la columna ya que las grietas que se presentaron aunque fueron de flexin prcticamente se quedaron en el recubrimiento. En la nervaduras principales el acero del lecho superior fluye, el acero del lecho inferior fluye al reiniciar la prueba con los tornillos apretados. La variacin de las deformaciones unitarias en las otras nervaduras es muy baja, la mayor parte de la deformacin se aplica cuando la nervadura se carga axialmente. Durante la primera etapa del experimento antes del ajuste de los tornillos, se lograron distorsiones muy grandes sin que ocurriera la falla, sin embargo esos resultados no son confiables y deben ser corregidos para considerar la rotacin de cuerpo rgido de la conexin, pero no se instrument el marco de cargas, por lo que determinar el valor de la rotacin de cuerpo rgido no pudo establecerse. La distorsin mxima alcanzada durante la segunda etapa, considera el mximo desplazamiento que se logr en el momento de la carga que produjo la falla de la conexin por punzonamiento, la deformacin relativa de los extremos en ese instante fue de =12.87 mm, considerando la separacin entre los puntos de aplicacin de la carga, se tiene una longitud L=2718 mm, por lo que la distorsin en ese instante fue menor que la distorsin lmite que marcan las normas para estructuras con losas postensadas.

006.000474.02718

87.12 L

(6)

Debido a la naturaleza frgil de la falla para este espcimen, la distorsin de falla medida experimentalmente implica un limite para diseo muy estricto, sin embargo en los ensayes siguientes este tipo de falla no se present debido a que se corrigieron los problemas con la separacin del marco de cargas. El mecanismo de falla registrado por el espcimen LP-01 representa una falla tpica por punzonamiento, el agrietamiento inicia en el borde de la columna con una o dos grietas inclinadas , una aproximadamente a 45o y la otra con un ngulo menor, se estableci un cdigo de colores, cuando las grietas se producen debido a que el nodo de la columna inferior sube y el nodo de la columna superior baja se le denomin empuje y las grietas generadas con ese movimiento, se designaron con un color azul, cuando el movimiento lateral es el opuesto, se denomin jale y las grietas de marcaron con un color rojo (ver figura 15).

Figura 15 Detalle de las grietas en las nervaduras principales

12


En la capa de compresin de la losa se generaron grietas desde la aplicacin de la carga axial, el patrn de agrietamiento en la losa no es muy extendido, de hecho en la zona aligerada se coloc una malla 66-1010 en el centro de la capa de compresin. Durante la prueba el acero de la malla fall, varios alambres se rompieron, la falla no fue captada por la intensidad en la carga lateral aplicada, pero la falla de cada uno de los alambres emiti un sonido fuerte claramente identificable. El patrn de grietas debido a la carga axial no se extendi mucho durante la prueba, pero el espesor de las grietas si creci conforme se increment el desplazamiento lateral. En la figura puede apreciarse el patrn de agrietamiento en la capa de compresin.

Figura 16 Detalle del agrietamiento de la capa de compresin.

Espcimen LP-02 El experimento se llev a cabo con una carga axial constante de 25 ton y desplazamientos laterales que se fueron incrementando hasta alcanzar la falla. Ante la carga axial el agrietamiento fue muy ligero. Cabe mencionar que se coloc una malla doble en la capa de compresin, para controlar el agrietamiento que se present en el primer ensaye. La falla en la conexin fue debido a punzonamiento por cortante como se esperaba, a diferencia del primer espcimen, la falla se alcanz de forma gradual. El experimento dur aproximadamente 24 horas, por lo que tuvo que hacerse en 2 das, el primer da el viernes 16 de abril y el segundo da el lunes 19 de abril de 2010. Para limitar el efecto de la rotacin de los marcos de acero que reaccionan contra la losa, se aplic una carga axial de 28 toneladas al momento de ajustar los tornillos que sostienen al marco de respaldo en su lugar. Cada vez que se terminaba un nivel de desplazamiento (4 ciclos de desplazamiento) se rectific el valor de la carga axial y se apretaban nuevamente los tornillos con el fin de limitar el movimiento como cuerpo rgido del espcimen. La carga axial promedio de la prueba fue de P=25.68 ton , el valor terico de la carga que produce la penetracin por cortante en la losa sin la presencia de momento de desequilibrio y despreciando la contribucin del presfuerzo es de PR=58.5 ton, considerando la carga aplicada tenemos que el espcimen nos reporta valores para una relacin Vu/Vo=0.44. Suele considerarse que la carga en los cables de acero no vara debido a que el cable no tiene adherencia con el concreto a su alrededor debido a que el cable se encuentra engrasado y dentro de un ducto generalmente plstico. Sin embargo, durante la prueba se midi la variacin de la fuerza de presfuerzo a travs de dos celdas de carga huecas. El incremento mximo de la carga de presfuerzo en los cables fue de alrededor de 1.5 ton. La variacin de la fuerza registrada sugiere que debera considerarse durante la etapa de diseo de losas postensadas, sin embargo, es importante mencionar que el espcimen es muy corto, sera recomendable realizar pruebas de carga en elementos con mayores longitudes para determinar si la variacin de la fuerza por lo que las pequeas deformaciones en el cable implican una gran variacin debido a que la longitud del cable corta magnifica las deformaciones porque se debe distribuir en una longitud corta. Se recomienda verificar la variacin de la carga axial en especimenes de tamao real para definir la necesidad de considerar la variacin en el proceso de diseo. En el refuerzo por cortante formado por estribos, los que se ubicaron en la nervadura principal en direccin del desplazamiento fluyeron, los restantes no fluyeron.

13


La carga mxima resistente en una direccin (ciclo de jale) fue de 4.1 toneladas, dicha carga se presenta en el primer ciclo de 24 mm de desplazamiento encada direccin el cual se asocia a una distorsin de 1.8%, que es 1.2 veces la permitida en el apndice A de las NTC-Sismo (1.5 % para losas planas sin muros o contravientos). 015.0018.0

2740242

L

(7) La prdida del 20% de resistencia se alcanza en el segundo ciclo de desplazamientos de 28 mm en cada direccin, es decir ante una distorsin de 2.02%, que es 1.35 veces la deformacin permitida en el apndice A de las NTC-Sismo para stas estructuras formadas por losas planas. 015.00202.0

2740282

L

(8) En la figura 17, se grafica la histresis del elemento, la figura solo muestra los ciclos aplicados en el segundo da de pruebas. En la zona del empuje se aprecia que despus de alcanzada la carga mxima, los siguientes ciclos presentan una degradacin gradual de la resistencia. En los ciclos de jale, puede considerarse que la resistencia permanece prcticamente constante una vez que se alcanza la carga mxima. Puede observarse un adelgazamiento del ciclo de carga en la zona de descarga, cuando cambia la direccin de desplazamiento, el elemento debe deformarse mucho para empezar a cargar. Hay prdida de rigidez en los ciclos de carga. Puede considerarse que los ciclos son estables, aunque por la forma del ciclo histertico, no se disipa mucha energa. Cuando el sistema de la losa postensada se use en combinacin con un sistema sismorresistente capaz de disipar mucha energa, el sistema es capaz de desarrollar deformaciones laterales del orden de 1.5% sin prdida en la capacidad de carga. Lo anterior es vlido para el nivel de carga axial de Vu/Vo=0.4.

Figura 17 Diagrama de histresis LP-02 Las grietas inician en la columna, las grietas en la nervadura principal y en direccin de las cargas laterales tiene un ngulo aproximado de 30 menor que las grietas de las nervaduras principales perpendiculares a la direccin de aplicacin de las cargas laterales que tienen un ngulo aproximado de 45 (ver figura 17). En la capa de compresin, la malla de acero estaba muy cerca de la superficie, aproximadamente a 1 cm. En algunas zonas pudo verse una patrn de grietas que sigue el espaciamiento

14


de la malla de acero. Las distribucin de grietas abarca una zona mas extensa que en el espcimen LP-01 (ver figura 17), se registr el abultamiento del cono de falla.

Figura 18 Agrietamiento en nervaduras y en la capa de compresin

Espcimen LP-03 El experimento se llev a cabo con una carga axial de 25 ton y desplazamientos laterales que se fueron incrementando hasta alcanzar la falla. Al aplicar la carga axial al inicio de la prueba, se present una excentricidad en la aplicacin de la carga. La excentricidad indujo una carga lateral que provoc un momento aplicado en una sola direccin que caus el desprendimiento del recubrimiento (ver figura 19) en la nervadura principal. El elemento se descarg, se corrigi la excentricidad en la carga y se inici nuevamente la prueba.

Figura 19 Desprendimiento del recubrimiento en la nervadura principal.

La carga axial se aplic mediante cilindros hidrulicos que no mantienen la carga aplicada de forma constante, al inicio de los ciclos de desplazamiento la carga aplicada era de 25 ton, pero al finalizar el ciclo de desplazamientos, el valor de la carga disminua, la carga axial promedio durante el ciclo es de 22.5 ton. El valor terico de la carga que produce la penetracin por cortante en la losa sin la presencia de momento de desequilibrio y despreciando la contribucin del presfuerzo es de PR=60 ton, considerando la carga aplicada tenemos que el espcimen nos reporta valores para una relacin Vu/Vo=0.41.

15


La carga mxima resistente en una direccin (ciclo de empuje) fue de 2.9 toneladas, dicha carga se presenta en el primer ciclo de 28 mm de desplazamiento encada direccin el cual se asocia a una distorsin de 2.1%, que es 1.4 veces la permitida en el apndice A de las NTC-Sismo. 015.0021.0

2723282

L (9)

La prdida del 20% de resistencia se alcanza en el ciclo de desplazamientos de 36 mm en cada direccin, es decir ante una distorsin de 2.6%, que es 1.73 veces la deformacin permitida en el apndice A. 015.0026.0

2723362

L (10)

En la figura 20, se grafica la histresis del elemento. La grfica muestra un comportamiento semejante al espcimen LP-02, es decir, una prdida de resistencia gradual despus de alcanzar la carga mxima, ciclos estables pero con poca capacidad de disipacin de energa, con un marcado adelgazamiento en la zona de descarga y degradacin de rigidez. Cuando el sistema de la losa postensada se use en combinacin con un sistema sismoresistente capaz de disipar mucha energa, el sistema es capaz de desarrollar deformaciones laterales del orden de 1.5% sin prdida en la capacidad de carga. Lo anterior es vlido para el nivel de carga axial de Vu/Vo=0.4.

Figura 20 Diagrama de histresis LP-03 Se present una marcada degradacin de la integridad del espcimen ante distorsiones del orden del 1%, con prdida de recubrimiento en las nervaduras principales y el pandeo de una de las barras de refuerzo que quedaron sin recubrimiento desde el inicio de la prueba (ver figura 21). algunas barras de refuerzo en la nervadura principal en Las grietas inician en la columna, las grietas en la nervadura principal y en direccin de las cargas laterales tiene un ngulo aproximado de 30 menor que las grietas de las nervaduras principales perpendiculares a la direccin de aplicacin de las cargas laterales que tienen un ngulo aproximado de 45 (ver figura 17). En la capa de compresin, la malla de acero estaba muy cerca de la superficie, aproximadamente a 1 cm. En algunas zonas pudo verse una patrn de grietas que sigue el espaciamiento de la malla de acero. Las distribucin de grietas abarca una zona mas extensa que en el espcimen LP-01 (ver figura 17), se registr el abultamiento del cono de falla.

16


Figura 21 Pandeo de barra y degradacin de la nervadura principal

Espcimen LP-04 El experimento se llev a cabo con una carga axial de 33 ton y desplazamientos laterales que se fueron incrementando hasta alcanzar la falla. El valor terico de la carga que produce la penetracin por cortante en la losa sin la presencia de momento de desequilibrio y despreciando la contribucin del presfuerzo es de PR=70 ton, considerando la carga aplicada tenemos que el espcimen nos reporta valores para una relacin Vu/Vo=0.45. La carga mxima resistente en una direccin (ciclo de empuje) fue de 3.67 toneladas, dicha carga se presenta en el primer ciclo de 24 mm de desplazamiento encada direccin el cual se asocia a una distorsin de 1.7%, que es 1.13 veces la permitida en el apndice A de las NTC-Sismo. 015.0017.0

2840242

L (11)

La prdida del 20% de resistencia se alcanza en el ciclo de desplazamientos de 32 mm en cada direccin, es decir ante una distorsin de 2.6%, que es 1.5 veces la deformacin permitida en el apndice A. 015.0023.0

2840322

L (12)

En la figura 22, se grafica la histresis del elemento. La grfica muestra un comportamiento semejante al los especimenes LP-02 y LP-03. Con ciclos de carga estables, que disipan poca energa, que se degrada su rigidez y empiezan a cargar con desplazamientos grandes. Resumen En la tabla 4, se muestra un resumen de las principales caractersticas estructurales de los elementos ensayados en el Laboratorio de Estructuras del Departamento de materiales de la UAM-Azcapotzalco.

Tabla 4 Resumen de las pruebas

Espcimen Vu (ton) Vu/Vo PLat mx (Ton) y u

LP-01 31.8 0.54 5.98 0.0047 0.0047 LP-02 25 0.44 4.10 0.018 0.020 LP-03 25.5 0.41 2.90 0.021 0.026 LP-04 33.1 0.45 3.67 0.017 0.023

17


Figura 22 Diagrama de histresis LP-04

CONCLUSIONES Todos los especimenes fallaron debido al punzonamiento por cortante. La distorsin a la falla para el primer espcimen (=0.0047) es menor que la supuesta en el captulo 9 de las Normas Tcnicas Complementarias para el Diseo de Estructuras de Concreto (=0.006) y mucho menor que la distorsin a la falla que se considera en el apndice A de las NTC-Sismo que es de 1.5%, sin embargo debe recordarse que la relacin Vu/Vo=0.54 fue la mayor y que se le indujo una falla frgil debido a el ajuste de tornillos en el marco de carga para evitar la rotacin de cuerpo rgido. Limitar el valor de la carga axial puede mejorar de forma importante el comportamiento de la conexin, si la relacin de Vu/Vo se limita a una valor de 0.40, la conexin puede desarrollar distorsiones en el intervalo elstico del orden de 1.5% y distorsiones ltimas del 2%, como lo demuestra el comportamiento de los elementos LP-02,LP-03 y LP-04. Debido a que el mecanismo de falla es de penetracin por cortante, la conexin no desarrolla una ductilidad elevada. La ductilidad promedio de las pruebas es 1.2. Aunque la ductilidad sea baja, el sistema de losa postensada y columnas es muy flexible, por lo que puede desarrollar distorsiones similares a sistemas sismorresistente dctiles pero ms rgidos. En el cuerpo de las NTC-Concreto en el punto 9.7.3 que se refiere a una losa postensada-columna bajo sismo, se limita la distorsin a un valor de 0.006. Tomando en cuenta la evidencia experimental el lmite parece conservador y podra emplearse un lmite mayor para el diseo.. El sistema formado por una losa postensada y columnas, no debe usarse para disipar energa debido a que en los ciclos de histresis obtenidos experimentalmente, se disipa poca energa. A los especimenes LP-02 y LP-03 se les aplic un nivel similar de carga axial. El comportamiento de ambos fue parecido, con niveles de distorsiones a la fluencia del mismo orden. El refuerzo por cortante en ambos casos fue distinto, en un caso se emplearon pernos y en el otro estribos. No se puede concluir que la eficiencia del refuerzo en ambos casos es similar debido a que en el espcimen LP-03 se le indujo una carga que provoc el desprendimiento del recubrimiento al iniciar la prueba, por lo que se recomienda hacer ms pruebas que comparen el comportamiento de los dos tipos de refuerzo.

18

19


AGRADECIMIENTOS En este proyecto de investigacin muchas personas y entidades han colaborado para su desarrollo y an est en proceso, pero se aprovecha la oportunidad para agradecer al Gobierno del Distrito Federal por su patrocinio, al CONACYT por otorgar la beca para estudios de doctorado, y a las empresas dedicadas al clculo y construccin de estructuras postensadas, Postensa SA. y Mexpresa S.A. por la ayuda brindada con materiales e informacin. Tambin se agradece la colaboracin de tcnicos y estudiantes de la UAM-Azcapotzalco.

REFERENCIAS

ACI-ASCE Committee 421, (2004), Seismic design of punching shear reinforcement in slab-column connections, ACI Structural Journal

ACI, (2005), Building code requirements for structural concrete, ACI, Farmington Hills, Mi. USA.

Cortina, P. (2000), Documento de difusin, Postensa, Mxico, (pp 1)

Cortina, P. (2006), Comunicacin personal, Mxico.

Englekirk, R.(2006), Comunicacin personal, 2 Encuentro Latinoamericano de estructuras Prefabricadas, Octubre de 2006,Veracruz, Mexico.

Ghali, A. (2006), Seismic-resistant joints of interior columns with prestressed slabs, ACI Journal, septiembre-octubre, pp 710-719.

International Code Council (2006), International Building Code ICC, Washington, DC. USA.

Kang THK (2004), Shake table tests and analytical studies of reinforced concrete flat plate frames and post-tensioned flat plate frames., PhD Thesis, Department of Civil and Environmental Engineering, University of California, Los Angeles.

Kang, T (2007), Post-tensioned slab-column connections: Drift capacity at punching of connections subjected to lateral loading, Concrete International, No. 58, pp 70-77

Lin, T. Y. (1963), Load-balancing method for design and analysis of prestressed concrete structures, Journal of the American Concrete Institute, pp 719-742

Normas tcnicas complementarias para el diseo y construccin de estructuras de concreto, (2004), Gaceta Oficial del Distrito Federal, Dcima cuarta poca, Tomo I, No. 103-Bis, Mxico, 6 de Octubre de 2004.

Simn, R. (2006), Comunicacin personal, Mxico.

DISEO SSMICO DE LA CONEXIN LOSA-COLUMNA EN LOSAS PLANAS POSTENSADAS ALIGERADASRESUMENABSTRACTANTECEDENTES Figura 1. Losas postensadas encasetonadas en stanos Figura 2. Losas postensadas en edificios con sistema sismorresistente exterior.JUSTIFICACINOBJETIVO GENERAL.Objetivo especfico

DESCRIPCIN DEL PROYECTO.Espcimen de PruebasFigura 7: Prototipo vista en planta y elevacin.

Carga equivalente (1)

Figura 3 Cable parablico (2) (3)

Figura 4. Carga equivalenteTrayectoria del cable

Figura 5 Cargas equivalentes aplicadas al modelo estructural para un cable.Carga CompensadaTabla 1 Carga compensada (4)

Modelo estructural analizado. (5)

Figura6 Vista deformada del modelo estructural, Vista 3DFigura 7: Armado de las nervaduras Principales. (Corregir la figura)ESPCIMEN DE PRUEBADESCRIPCIN DEL ESPCIMENTabla 2 Caractersticas de los especimenes de prueba

Figura 8 Armado de la conexin losa-columnaDESCRIPCIN DE LA CARGA

Figuras 9 Desplazamientos del nodo de control Figura 10 Desplazamientos reales y Desplazamientos experimentalesCRITERIO DE FALLA.INSTRUMENTACIN DEL ESPCIMEN.Instrumentacin InternaFigura 11 Instrumentacin interna, en pernos y acero de refuerzoTabla 3 Instrumentacin interna

Instrumentacin ExternaFigura 11 Ubicacin de las celdas de cargaFigura 12 Ubicacin de los transductores de desplazamientoFigura 13 Vista global de la prueba

ANLISIS DE RESULTADOSRESULTADOS EXPERIMENTALESEspcimen LP-01Figura 14 Vista global de la prueba (6)Figura 15 Detalle de las grietas en las nervaduras principalesFigura 16 Detalle del agrietamiento de la capa de compresin.

Espcimen LP-02 (7) (8)Figura 17 Diagrama de histresis LP-02 Figura 18 Agrietamiento en nervaduras y en la capa de compresin

Espcimen LP-03Figura 19 Desprendimiento del recubrimiento en la nervadura principal. (9) (10)Figura 20 Diagrama de histresis LP-03 Figura 21 Pandeo de barra y degradacin de la nervadura principal

Espcimen LP-04 (11) (12)

Resumen Tabla 4 Resumen de las pruebasFigura 22 Diagrama de histresis LP-04

CONCLUSIONESAGRADECIMIENTOSREFERENCIAS

Diseños sismico conexion

Documents

Transcript of Diseños sismico conexion