Scope

La experiencia generada durante la ocurrencia de sismos, así como el extenso trabajo de laboratorio, ha demostrado que edificaciones de concreto reforzado coladas en sitio bien diseñadas y adecuadamente construidas, presentan un comportamiento adecuado ante la incidencia de sismos severos. Estructuras a base de marcos resistentes a momento, en las que se incorporan algunos elementos de concreto precolados, que son diseñadas para presentar un comportamiento dúctil y una resistencia adecuada ante sismo, no han tenido la misma cantidad de trabajo de laboratorio, y la mayoría de los daños reportados durante la incidencia de sismo se debe principalmente a inadecuados procedimientos de diseño y construcción (por ejemplo Otani, 1992). Sin embargo, este tipo de estructuras con elementos precolados (o totalmente precoladas) en el futuro tiende a ser ampliamente usada aún en regiones de alta sismicidad.

Como ya se indicó, la incorporación de elementos de concreto precolados presenta las ventajas de tener un alto control de calidad, reducción considerable del trabajo en obra, e incremento notable de la velocidad de construcción. En contraposición, la mayor desventaja del sistema es la supuesta discontinuidad que presentaría en las regiones de unión entre los elementos precolados y entre elementos precolados y el concreto colado en sitio. Las ayudas y propuestas para diseño sismo-resistente de estructuras precoladas emitidas en diversos países (Vg. Nueva Zelanda, Japón y Estados Unidos) tratan de lograr que las estructuras resulten con una capacidad de comportamiento dúctil similar a la de las estructuras de concreto reforzado coladas en sitio. Sin embargo, como ya se ha mencionado anteriormente en este trabajo, no todas las soluciones presentan

Modelo No.4 Peralte total: 30 cm

Orientación del cañón de poliestireno: sentido corto

Simbología general de las gráficas: Carga al agrietamiento Carga máxima medida Rigidez secante inicial 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 0 10 20 30 40

Desplazamiento vertical al centro del claro (mm)

C a rg a v e rti ca l ap li ca d a (k g f)

comportamientos similares o mejores que cuando se emplea concreto reforzado colado en sitio; siendo el parámetro de mayor influencia el que la capacidad de disipación de energía por deformación en el rango inelástico puede ser menor en los sistemas con elementos precolados.

Así, los problemas básicos para el diseño sismo-resistente de estructuras incorporando elementos precolados pueden reducirse a los siguientes:

a) Definir un método práctico y económico para la conexión entre los elementos estructurales cuando se usen precolados; y

b) Determinar un espectro de diseño que considere el posible diferente comportamiento, ante carga cíclica reversible del tipo sísmico, de este tipo de estructuras respecto de las coladas en sitio (diferencia que se resume en un efecto marcado de adelgazamiento de los lazos de histéresis y degradación de resistencia ante ciclos sucesivos de cargas alternadas)

Debido al supuesto pobre comportamiento ante la incidencia de sismos intensos, este tipo de estructuras ha sido estigmatizado en cuanto a su uso para regiones de alta sismicidad. Sin embargo, actualmente una gran cantidad de construcciones de concreto reforzado, estructuras a base de marcos resistentes a momento con una combinación de elementos de concreto colado en sitio y elementos precolados, se han venido diseñando y construyendo, usando para su diseño preceptos propios de estructuras totalmente monolíticas. Como ya se mencionó, las estructuras donde se emplean elementos precolados, pueden presentar comportamiento ante carga cíclica reversible con un acentuado efecto de adelgazamiento de los lazos de histéresis (también denominado como “pinching”) y en muy contados casos (en un porcentaje similar a las estructuras tradicionales de concreto reforzado; López, 1992) se puede observar degradación de la resistencia, aspectos que generan incremento en las demandas de desplazamiento de estos sistemas estructurales respecto a los que podrían esperarse para un sistema totalmente colado en sitio (Sucuoglu, 1995).

Los procedimientos de diseño que se emplean, y pretende seguir empleando, para edificios con este tipo de sistemas estructurales son básicamente los mismos que los usados para edificación tradicional de concreto reforzado totalmente colada en sitio; siendo la única diferencia el considerar una supuesta menor capacidad de deformación y menor rigidez del diafragma de piso en las estructuras precoladas. La tendencia y costumbre en los procedimientos para el diseño de estructuras de concreto reforzado en las que se emplea sistemas estructurales con elementos precolados, en la mayor parte de nuestro país, consideran restricciones empíricas de análisis y diseño que pueden resultar injustificadamente severas para este tipo de sistemas estructurales, comparativamente con las restricciones o parámetros de diseño que se emplean generalmente para el diseño de estructuras “monolíticas” de concreto reforzado. Un ejemplo de estas restricciones son los factores de reducción de las ordenadas espectrales para diseño por sismo o factores de comportamiento sísmico “Q”. Para estructuras tradicionales de concreto reforzado se pueden considerar factores de reducción superiores a 2.0 con deformaciones relativas de entrepiso límite permisibles entre 1.5 y 3%(Ordaz et al, 2000), mientras que para estructuras donde se use elementos precolados, además de que no se presenta indicación o referencia alguna en la reglamentación vigente, generalmente se emplea un factor de reducción de resistencia de 1.5 o, en el menos conservador de los casos de 2.0, y los valores límite de desplazamiento relativo de entrepiso permisibles son similares o menores a los indicados para estructuras a base de losas planas sin muros y contravientos, del orden de 1.5% (Ordaz et al, 2000).

Una propuesta para diseño de estructuras de concreto reforzado en las cuales se usen elementos precolados se basa en el seguimiento irrestricto de los lineamientos para diseño de estructuras monolíticas de concreto reforzado. La diferencia radicará únicamente en las características del espectro para diseño ante sismo y esta deberá establecerse con criterios lógicos y racionales.

Para determinar las características del espectro de diseño para estructuras donde se usen elementos precolados, será necesario establecer modelos y reglas de histéresis que representen adecuadamente a las estructuras de concreto reforzado con comportamiento ideal, y a las estructuras con elementos precolados que presentarían comportamientos inadecuados. Con objeto de poder emplear el espectro de diseño que se presenta en los códigos vigentes, se tratará de establecer una relación entre las características de respuesta de los sistemas representativos de estructuras de concreto monolítico y precolado, de manera que se pueda determinar un factor que relacione directamente las ordenadas espectrales necesarias para que una estructura de concreto reforzado con elementos precolados presente niveles de respuestas máximas (por ejemplo

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ductilidad, desplazamientos relativos, etc.) iguales a las de una estructura monolítica, a partir de un espectro de diseño único.

Tratando de representar los casos extremos, es ampliamente aceptado que el modelo de Takeda (Takeda, 1970) resulta adecuado para representar el comportamiento de estructuras de concreto reforzado bien diseñadas y construidas, sujetas a carga cíclica reversible; y un modelo con adelgazamiento (modelo de Takeda con Slip, Shiohara, 1982) representaría adecuadamente el comportamiento de una estructura con elementos precolados. La respuesta de sistemas de un grado de libertad, representación simplificada del comportamiento de estructuras de múltiples grados de libertad, con las mismas características dinámicas, pero cada una con uno de los dos modelos mencionados se presentan en la Fig.20. De la misma figura se aprecia que el efecto del adelgazamiento, genera una menor capacidad de disipar energía por deformación y, por lo tanto, eso repercute en una mayor respuesta de desplazamientos. Si las características mecánicas y dinámicas de los sistemas de un grado de libertad que representan a dos edificios son iguales, y la única variante es el modelo de histéresis, para lograr que los niveles de desplazamientos máximos, y por lo tanto de ductilidad, resulten iguales entre la estructura monolítica y la precolada, deberá proporcionarse una mayor resistencia a la estructura con precolados. Luego, si las ordenadas espectrales para diseño se obtienen de relacionar los niveles de fuerzas producto de la respuesta elástica de sistemas de un grado de libertad, con la resistencia lateral necesaria para lograr un parámetro de comportamiento objeto, por ejemplo una ductilidad predeterminada, por medio del factor de reducción de resistencias, resulta obvio que el factor de reducción de resistencia para una estructura con elementos precolados deberá ser menor que para una estructura monolítica. De la discusión anterior es que se plantea que los factores de comportamiento sísmico para estructuras con elementos precolados sean menores que para las estructuras monolíticas, pero surge la pregunta ¿que tan menores?.

Para responder parcialmente a la pregunta anterior, se obtuvieron los espectros inelásticos de isoductilidades (el conjunto de ordenadas espectrales que permiten que cualquier sistema de un grado de libertad presente una respuesta máxima de ductilidades igual y predeterminada), trabajando con el registro del sismo de SCT de 1985 en su componente este-oeste, para ductilidades de 1.5, 2, 3, 4 y 6, para sistemas de un grado de libertad considerando los dos modelos de histéresis representativos de cada tipo de estructura. Para cada periodo fundamental en los que se calculó la ordenada espectral, para los dos modelos, correspondiente a la ductilidad predeterminada, se obtuvo la relación entre las ordenadas espectrales, resultado que se presenta en la Fig.21. En la Fig.21, los términos Samodelo2 y Samodelo1 corresponden a los valores de las ordenadas espectrales para el modelo representativo de estructuras precoladas y estructuras monolíticas, respectivamente, necesarios para obtener una respuesta máxima de ductilidades dada. El valor promedio de la relación entre la ordenada espectral del modelo representativo de estructura precoladas y el modelo representativo de estructuras coladas en sitio es de 1.03, y valor de la media más una desviación estándar resultó de 1.08. De modo que, por ejemplo, considerando una estructura en la cual se consideraría un factor de comportamiento para diseño por sismo de 2.0 si fuera monolítica, podría emplearse un factor de comportamiento de 1.85 si en ella se usan elementos precolados; todos los demás preseptos y filosofías para el diseño podrían considerarse los mismos que aquellos usados para estructuras de concreto coladas in-situ.

Figura 20 Modelos de histéresis representativos de una estructura de concreto reforzado monolítico y una con elementos precolados. Historia de la respuesta de ambos modelos ante el registro SCT-1985

Figura 21 Comparación de los espectros de isoductilidades entre los modelos de histéresis

representativos de una estructura de concreto reforzado monolítico (Samodelo1) y una con elementos

precolados (Samodelo2). Historia de la respuesta de ambos modelos ante el registro SCT-1985 (EW)