El desempeño sísmico de construcciones de mampostería tipo vivienda – ensayos en mesa vibratoria

Richard E. Klingner

La Universidad de Texas en

Austin ( Profesor Emérito )

Universidad de Costa Rica

( Profesor Visitante )

5º Congreso Internacional de

Construcciones de

Infraestructura y Vivienda

Quito , Ecuador

22 de octubre 2013

participantes en el proyecto

University of Texas at Austin

Richard E . Klingner , Farhad Ahmadi ( GRA ) , Jaime Hernandez ( GRA ) , Saleh Alogla ( GRA )

University of California at San Diego

Benson Shing , Marios Mavros ( GRA ) , Andreas Stavridis ( ahora en la UT Arlington )

Washington State University

David McLean , Jacob Sherman ( GRA ) , Will Cyrier ( GRA ) , Christina Duncan Kapoi ( GRA )

2

puntos importantes de esta ponencia

el diseño por fuerzas no siempre funciona bien para estructuras tipo muro cortante , incluyendo las de mampostería reforzada

el diseño por desplazamientos sí funciona para producir estructuras de mampostería reforzada que se comportan en forma confiable es sismos fuertes

es más consistente y transparente que el diseño puramente con base en fuerzas

es idóneo para oficinas con experiencia

3

contenido de la ponencia

repasar la respuesta sísmica y diseño sísmico actual para estructuras de mampostería

proponer el diseño por desplazamientos para la mampostería reforzada

llevar a cabo ensayos cíclicos en muros de mampostería para determinar parámetros

mejorar y verificar modelos analíticos para muros cortantes de mampostería reforzada

usar ensayos a escala completa en mesa vibratoria para verificar el diseño

4

el diseño sísmico actual ( ASCE 7 ) se basa en fuerzas . . .

determinar la Categoría de Diseño Sísmico por ubicación geográfica y suelo

escoger entre una lista ASCE 7 de sistemas estructurales permitidos ( muros reforzados de mampostería “especiales” e “intermedios” )

detallado prescrito para cada segmento de muro

máx para cada segmento de muro

5

. . . el diseño sísmico actual ( ASCE 7 ) se basa en fuerzas

con base en el sistema estructural , asignar factores de diseño sísmico (R , Cd , 0 )

diseñar para fuerzas elásticas ( secciones agrietadas ) divididas por R

diseñar para desplazamientos elásticos ( secciones agrietadas ) multiplicados por Cd

diseñar elementos que tienen que permanecer elásticos para fuerzas elásticas ( secciones agrietadas ) divididas por R y multiplicadas por 0

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el diseño por fuerzas no siempre funciona bien

el comportamiento final no siempre es consistente con la intención del diseño

la ductilidad requerida por R e implicada por el detallado puede no estar disponible

los requisitos prescriptivos no se relacionan claramente con comportamiento

los límites superiores pueden ser imposibles de lograr 7

una estructura baja en SDC D no va a lograr alta ductilidad

los requisitos de diseño por fuerzas no son siempre claros o confiables

las solicitaciones aplicadas no son buena medida de daños

las deformaciones inelásticas sí son buena medida de daños , y deben enfatizarse en el diseño

8

deformations indicate damage

displacement

forces do not indicate damage

base shear

base shear displacement

estimar la demanda máxima de desplazamientos

seleccionar un mecanismo razonable de colapso

rótulas plásticas a flexión

“rótulas plásticas” cortantes

identificar la demanda de deformaciones inelásticas asociadas al mecanismo

ajustar la capacidad o el detallado para que la capacidad de deformación inelástica iguale o exceda la demanda 9

el diseño por desplazamientos para estructuras de mampostería reforzada

pasos fundamentales del método propuesto de diseño por desplazamientos

10

Step 4: Determine Equivalent

Hysteretic Damping

Step3: Propose Initial Design,

Conduct Inelastic Analysis,

and Develop Design

Mechanism

Step 5: Determine Equivalent

Structural Period

Step 6: Compute Required

Base Shear, Vreq

Step 7: Predict Actual

Base Shear, Vactual

Modify

Lateral

System

Not

Good OK

Step 9: Complete Structural

Detailing

Step2: Define Design Target

Local Deformation Ratios and

Target Drifts

Step1: Define Seismic Hazard

Step 8: Verify

Base Shear

Vactual

posibles mecanismos de diseño

11

refuerzo correspondiente

reforzar para capacidad

suficiente de rotación inelástica

en rótulas a flexión

rótulas a flexióó

desplazamiento prefijado

desplazamiento prefijado

“rótulas” cortantes refuerzo correspondiente

reforzar para capacidad suficiente

de deformación inelástica en “rótulas”

cortantes

base técnica para el diseño por desplazamientos

determinamos parámetros de diseño ( a flexión y a cortante ) de segmentos de muro con diferentes condiciones de borde , cargas axiales , y configuraciones de refuerzo

diseñamos probetas “sencilla” y “difícil”

pronosticamos sus respuestas analíticamente

verificamos las respuestas pronosticadas contra los resultados de ensayos en mesa vibratoria

las probetas se comportaron bien , y de acuerdo con lo pronosticado 12

trabajo experimental para sentar la base técnica para el diseño por desplazamientos

diseñar , construir , y conducir ensayos cíclicos de muros de mampostería en voladizo y empotrados

evaluar los resultados de los ensayos

diseñar dos probetas de múltiples niveles y a escala completa , por fuerzas y por desplazamientos

participar en ensayos de las dos probetas en mesa vibratoria

evaluar los resultados de los ensayos 13

conducir ensayos a carga cíclica alterna de muros cortantes de mampostería

41 probetas tipo muro cortante de mampostería reforzada

diferentes niveles de detallado prescriptivo , cargas axiales , condiciones de borde , y configuraciones de refuerzo

refinar requisitos normativos EEUU para rótulas plásticas , máx , y diseño por capacidad para cortante

evaluare relación entre parámetros de diseño comportamiento no lineal de probetas

refinar modelos analíticos y capacidades inelásticas de deformaciones para tales muros 14

North

CMU specimen

strong reaction wall

horizontal actuator

RC loading beam

RC base beamwall spreader beam

1-in. threaded rod

Steel spreader beam

swivel box

Post tensioned rod

actuator controlled by load maintainer

swivel beam

RC base beam

CMU specimen

fixed RC foundation

strong rigid floor

. . . ensayos bajo carga cíclica de muros cortantes en voladizo

montaje para probetas en voladizo

15

montaje para probetas empotradas

16

. . . ensayos bajo carga cíclica de muros cortantes empotrados

vertical MTS actuator

North

steel loading frame

CMU specimen

strong reaction wall

horizontal MTS actuator

RC loading beam

RC base beam

elevated foundation

wall spreader beam

post-tensioning rod

strong rigid floor

. . . resultados típicos de ensayos bajo carga cíclica alterna

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comportamiento típico cíclico de probetas empotradas (UT – PBS – 01)

componentes de desplazamientos y derivas

(deformación cortante ) / deformación total ) ~ 0.60

deriva total ~ 1.3%

capacidades de deformación inelástica para segmentos de muro controlados por flexión

capacidad local de deformación ( deriva ) 0.8% para Sismo de Diseño ( retorno de ~ 475 años )

1.5% para Sismo Máximo Considerado ( ~ 2500 años )

18

capacidades de deformación inelástica para segmentos de muro controlados por cortante

capacidad local de deformación ( deriva ) 0.5% para Sismo de Diseño ( retorno de ~ 475 años )

1% para Sismo Máximo Considerado ( ~ 2500 años )

19

determinar amortiguamiento equivalente histerético

base de datos sobre amortiguamiento

20

usar los resultados de ensayos cíiclicos

base de datos sobre amortiguamiento

022

teq

D

eqk

Et

21

“fácil” (2011)

(configuración regular de aberturas)

“difícil” (2012)

(configuración irregular de aberturas)

diseñar y ensayar probeta “fácil” y probeta “difícil”

probeta “fácil” de 3 niveles

ensayada en Enero y Febrero 2011

muros cortantes en voladizo , ligeramente acoplados

configuración regular de aberturas

22

23

planta y elevación de probeta “fácil”

diseño de probeta “fácil”

se obtuvieron resultados para los diseños por fuerzas y por desplazamientos

la probeta se idealizó como dos muros en voladizo , no acoplados

se cumplieron requisitos actuales sobre max , hasta para muros T ( fm = 175 kg / cm2 , todas las celdas llenas

se cumplieron requisitos actuales de refuerzo prescriptivo

se cumplió diseño por capacidad para cortante 24

diseño por fuerzas de la probeta “fácil”

cargas por gravedad ( ASCE 7 - 05 )

cargas laterales por sismo ( Sección 1613 del IBC 2009 ) y SDC D para San Diego

R = 5 ( muro “especial” de mampostería reforzada )

coeficiente de cortante basal = 0.26

diseño estructural ( Norma MSJC 2008 )

25

la probeta “fácil” se comportó bien

26

observaciones selects cerca del colapso ( probeta “fácil” )

27

segunda 150 % Chi Chi ( unas 2.0 veces MCE )

daño severo ( grietas cortantes de 1 cm , aplastamiento en talones de almas de muros T , deriva máxima en primera planta del 1.52 % )

los resultados son significativos desde la perspectiva de diseño

la probeta fue más rígida y resistente de lo que se anticipaba , y el comportamiento final no cuadró con la intención del diseño

la ductilidad requerida por R = 5 e implicada por el detallado no estuvo disponible

los resultados comprueban requisitos MSJC para el diseño y detallado de muros “especiales” de mampostería reforzada

en contraste a la suposición de diseño , los tablones de piso fueron elementos de acople muy rígidos y resistentes

28

desarrollo y verificación de herramientas para el diseño por desplazamientos

la UT Austin enfatizó el PERFORM 3D , un programa de análisis no lineal

se calibraron modelos analíticos para muros cortantes de mampostería reforzada walls

se usaron los modelos para pronosticar la respuesta sísmica de estructuras complejas

se usaron los modelos como parte de un procedimiento sistemático para el diseño por desplazamientos de estructuras tipo muro cortante de mampostería

29

El “General Wall Element” del PERFORM – 3D

5 capas paralelas , en el plano central del componente

se exige compatibilidad en las esquinas

las capas flexo – compresivas se componen de fibras

se usaron capas flexo – compresivas más cortantes

no se usaron las capas puntal diagonal

los muros se modelan usando elementos “macro”

30

modelos de materiales para los elementos PERFORM - 3D

se usaron propiedades con base en pruebas estándar

se incluyeron parámetros de la degradación cíclica para cada material

Stress (ksi)

Strain

fy

fy

Stress (ksi) Strain

fm

fm

Strain

model

prism test model

test

Str

ess

(M

Pa)

Strain

Str

ess

(M

Pa)

31

. . . se calibraron los modelos contra resultados de las probetas tipo muro

análisis cíclico no lineal

32

nos sentimos satisfechos con los resultados de la calibración

el modelo propuesto cuadró bien con las respuestas observadas

el modelo propuesto captó bien las respuestas medidas , incluyendo capacidades , rigideces , y puntos de cedencia

el modelo propuesto representó en forma razonable las propiedades cíclicas , incluyendo degradación de rigidez , forma de lazos histeréticos , desplazamientos residuales , y estrangulamiento

33

el modelo se verificó usando la probeta de 3 pisos

malla relativamente gruesa

los “general wall elements” para comportamiento inelástico en el plano

elementos viga – columna no lineales para comportamiento fuera del plano

losas agrietadas y elásticas

34

los pronósticos se acotejaron con los resultados hasta 1.5 MCE ( pero no 2.0 MCE )

250% El Centro ( 1.5 MCE )

buen acuerdo para la respuesta de desplazamientos

buen acuerdo para los lazos histeréticos

35

los modelos pueden usarse con procedimientos específicos para el diseño por desplazamientos

los pronósticos cuadran bien con las respuestas sísmicas observadas de estructuras tipo muro cortante de mampostería reforzada ( por lo menos hasta 1.5 MCE )

los modelos dan un compromiso razonable entre facilidad de modelaje , calidad de resultados , y esfuerzo de cómputo

los modelos pueden usarse para pronosticar la respuesta no lineal de estructuras tipo muro de mampostería con arreglos complejos de aberturas

los modelos pueden formar parte de un marco sistemático para el diseño por desplazamientos 36

estructura “difícil” de 2 pisos

37

se ensayó en Agosto – Septiembre 2012

geometría compleja de aberturas

unos segmentos dominados por cortante

planta y elevación de la probeta “difícil”

38

W-1

3-in. concrete topping8-in. floor planks

W-3W-2

W-4 W-5 W-6

control joints

control joints

8-in. floor planks spanning in direction of shaking

W-1 W-2

Planks

3-in. concrete topping

W-4

W-5

W-4

diseño de la probeta “difícil”

se obtuvieron resultados diferentes para el diseño por fuerzas y por desplazamientos

se incluyó el acople por losas de entrepiso

se cumplieron requisitos actuales para máx , aún para muros T ( fm = 175 kg / cm2 , todas las celdas llenas )

no se cumplieron requisitos actuales para refuerzo prescriptivo en segmentos centrales y derechos ( espacio > ℓ𝑤 / 3 )

se cumplió diseño por capacidad para cortante 39

se seleccionaron niveles de riesgo sísmico y derivas prefijadas

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Nivel de Riesgo Sísmico

Límites de Razones de Deformaciones Locales Derivas

locales entre niveles

Segmentos controlados por Flexión

Segmentos controlados

por Cortante

Sismo de Diseño ( 10% en 50 años )

0.8 % 0.5 % 0.3 %

Sismo Máximo Considerado ( MCE ) ( 2% en 50 años )

1.5 % 1.0 % 0.6 %

llevar a cabo análisis inelástico

malla relativamente gruesa

los “general wall elements” para comportamiento inelástico en el plano

elementos viga – columna no lineales para comportamiento fuera del plano

losas agrietadas y elásticas 41

3D - model

desarrollar un mecanismo idóneo de diseño

hacer un análisis de empuje progresivo para determinar la curva de capacidad y los mecanismos prefijados

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Column Plastic Hinge

W-1 Plastic Hinge

W-2 Flexure-Shear Hinge

W-3 Shear Hinge

Column Plastic Hinge

W-5 Shear Hinge

mecanismo prefijado en MCE curva de capacidades

inter-story drift 0.6%

(MCE)

inter-story drift 0.3%

(DBE)

0.39 %0.58 %0.36 %

1.03 %1.15 %0.81 %

pronosticar demandas de deformacion en segmentos en derivas prefijadas

en Sismo de Diseño

el segmento central se domina por cortante , con deformaciones locales de unos 0.6%

en Sismo Máximo

el segmento central se domina por cortante , con deformaciones locales de unos 1.15%

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deformaciones locales en DE

deformaciones locales en MCE

pronosticar la respuesta de la probeta “difícil”

masa gravitacional M

para asegurar sacudimiento más allá del sismo máximo , la masa inercial se aumentó a 1.7 M escalando la frecuencia y la entrada a la mesa

se analizó la siguiente secuencia de entrada

44

orden registro nivel

1 30% El Centro 1979

2 43% El Centro 1979 0.50 Diseño

3 86% El Centro 1979 0.80 Diseño

4 108% El Centro 1979 Mayor que Diseño

5 145 % El Centro 1979 Menor que Máximo

6 160% El Centro 1979 Mayor que Máximo

pronosticar la respuesta de la probeta “difícil”

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los segmentos centrales y derechos se dominarían por cortante , con razones de deformaciones locales de unos 1% en Sismo Máximo

w1=0.72% w3=1.12%w2=1.10%

deformaciones locales en 160% El Centro (MCE)

demandas de deformaciones locales

W-1 W-2 W-3

picos espectrales en T = 0.27 and 0.38 seg

la probeta “difícil” se comportó bien . . .

46

la probeta llegó al Sismo Máximo ( 160% El Centro )

ensayo en mesa vibratoria de la probeta “difícil” más allá del Sismo Máximo

47

observaciones selectas más allá del Sismo Máximo ( probeta “difícil” )

160 % El Centro ( más allá del Sismo Máximo )

PGA = 0.92 g , deriva máxima en planta baja del 1.89 %

rótula a flexión en W-1 ; deterioro severo cortante en W-2 ; W-3 experimentó rótula a flexión en un sentido , y rótula cortante en otro sentido

grietas observadas en planta baja 48

segmentos de muro excedieron sus capacidades esperadas de deformación inelástica

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Wall W - 2 se dominó por cortante , excedió deformación del 2%

Wall W - 3 se dominó por flexión en un sentido y por cortante en otro sentido ,

excedió deformación del 1%

Wall W - 1 se dominó por flexión , excedió deformación del 1%

puntos importantes de esta ponencia

el diseño por fuerzas no siempre funciona bien para estructuras tipo muro cortante , incluyendo las de mampostería reforzada

el diseño por desplazamientos sí funciona para producir estructuras de mampostería reforzada que se comportan en forma confiable es sismos fuertes

es más consistente y transparente que el diseño puramente con base en fuerzas

es idóneo para oficinas con experiencia

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