Demanda sísmica determina el material y el tipo de los sistemas estructurales empleados en la construcción de viviendas. Terremotos impulsan la necesidad de investigación de sistemas innovadores con una mejor relación coste-eficacia y un mejor comportamiento sísmico que los sistemas actuales. Sistemas estructurales basados Ferro-cemento-han demostrado una alta resistencia (Naamán, 2000; Bedoya-Ruiz, 2005), bajo la fragilidad sísmica (Bedoya-Ruiz et al, 2005.), Y la sostenibilidad del medio ambiente (Bedoya-Ruiz, 2011). Estos sistemas generalmente se componen de paredes delgadas prefabricados, que se montan en diferentes configuraciones de acuerdo con el sistema constructivo de la vivienda (Naamán, 2000; Castro, 1979; Gokhale, 1983; Olvera, 1998; Wainshtok-Rivas, 1994; Abdullah, 1995 ; Machado, 1998).
Las dimensiones típicas de las paredes de ferrocemento prefabricados oscilan entre 500 y 1000 mm de ancho, 2000 a 2400 mm de altura y de 10 a 50 mm de espesor. La fuerza de las paredes es proporcionado por un conjunto de mallas y reforzado a veces por barras incrustados en un mortero de alta resistencia. Casas construidas con paredes delgadas de ferrocemento prefabricadas se han construido en el archipiélago malayo, Islas de Sumatra, Sri Lanka, Nueva Guinea, México, India, Tailandia, Cuba, EE.UU., Brasil y Colombia.
Las aplicaciones primero registradas datan de la década de 1940, cuando Nervi (1956) propuso el uso de ferrocemento para la construcción de barcos de pesca. Más tarde, Castro (1979) y Olvera (1998) construyeron una y casas de dos pisos con paredes de ferrocemento en México. En la India, en 1983, Gokhale (1983), documentó un sistema para la construcción de viviendas llamado "Catone". En 1998, Wainshtok-Rivas (1994) describió las primeras construcciones de ferrocemento realizados en Cuba en 1986. Naamán (2000) publicó los resultados de sus investigaciones desarrolladas en casas de ferrocemento en la Universidad de Michigan. Exploró las ventajas de ferrocemento desde un punto de vista industrializado, con el fin de permitir el desarrollo y la difusión de los beneficios del uso de este material. Bedoya-Ruiz (2005) publicó, en la investigación experimental y analítico realizado en las paredes y casas de ferrocemento.
Ha habido algunas metodologías para el diseño sismorresistente de casas, basado en prefabricados de paredes delgadas de ferrocemento utilizando análisis estático. Por ejemplo, Bedoya-Ruiz (2002) y Wainshtok-Rivas (2004) desarrollaron un enfoque para el diseño sismorresistente de viviendas de ferrocemento utilizando el Método de Equivalente Fuerza Horizontal (MEHF), con el fin de obtener las fuerzas sísmicas de las zonas de moderada a alta sísmica actividad. Recientemente, Bedoya-Ruiz et al . (2010) propuso un modelo dinámico no lineal para evaluar la vulnerabilidad de las casas de ferrocemento. Este modelo fue de acuerdo con el comportamiento experimental exhibido por las estructuras cuando se somete a condiciones de carga cíclicas, permitiendo al mismo tiempo varios escenarios de daños para las zonas con diferente actividad sísmica.
En este artículo se trata el comportamiento sísmico de muros delgados ferrocemento prefabricados sometidos a condiciones de carga cíclica. Se presenta un modelo dinámico no lineal para el diseño sismorresistente de viviendas de ferrocemento construidos en zonas de moderado a alto riesgo sísmico.
El plan de este estudio fue el siguiente: en primer lugar, se llevaron a cabo pruebas de laboratorio en las paredes a gran escala con el fin de evaluar el comportamiento de histéresis, la fuerza, la capacidad de disipación de energía, amortiguación y modos de fallo de paredes delgadas de ferrocemento prefabricados cuando se someten a condiciones de carga cíclica . Entonces, se propuso un modelo dinámico no lineal, que es capaz de simular el comportamiento exhibido por las paredes de ferrocemento en condiciones de carga cíclica. Se utiliza aquí, el modelo Bouc-Wen-Baber-Noori (BWBN) de histéresis (Baber y Wen, 1981 Bouc, 1967). Por último, se realizó una evaluación del rendimiento de las paredes cuando se somete a excitaciones externas al azar utilizando el modelo dinámico no lineal propuesto.
Las muestras de ensayo
Varias paredes delgadas de ferrocemento se construyeron y probaron como se muestra a continuación.
Descripción de los materiales
Cada pared fue construida a base de mortero, malla de alambre y barras de acero. El mortero se hizo con Cemento portland tipo I (CEM I), arena de detección con un tamiz de N º 7 (aprox. 2 mm), agua y superplastificante utilizando las siguientes proporciones en peso: 1:02 relación sandcement, relación watercement 0,40, superplastificante 1 % de peso de cemento. El superplastificante se utilizó con el fin de mejorar la trabajabilidad y la penetrabilidad del mortero través de las mallas. El refuerzo distribuido en la matriz de cemento consistía en seis capas de malla hexagonal con una abertura de 31,75 mm (esta malla se colocó longitudinalmente); y dos # 2 bares en los extremos de la pared. La superficie específica de la armadura era 0,0314 mm 2 / mm 3 y su fracción de volumen fue de 0,39%.
La resistencia a la compresión del mortero ( f ' cm ) después de 28 días fue de 33 MPa, y su módulo de Young ( Ec ) era 11.050 MPa; la resistencia de fluencia ( σ ry ) de la malla hexagonal fue 282 MPa, y su módulo de Young (E r ) fue de 81 GPa. Por último, la resistencia de rendimiento de los # 2 bares era de 420 MPa.
Configuración de la prueba y de la historia de carga.
La geometría de cada uno de los 12 especímenes se esboza en la figura. 1 ; una visión general de la configuración de prueba también se muestra en la figura. 1 .
Las paredes estaban anclados a las vigas de cimentación muy rígidos con el fin de proporcionar soporte lateral.Entonces, cada sistema de "haz de pared-cimentación" estaba anclado a un piso de reacción con tornillos de acero como se ilustra en la figura. 2 . Con el fin de limitar las paredes de rigidización-desplazamientos, se empleó soporte lateral. El desplazamiento lateral inducida por el actuador hidráulico se midió utilizando LVDT colocados en la parte superior de las paredes.
Cada pared delgada ferrocemento prefabricado se sometió al patrón de la carga cíclica se muestra en la figura. 3, donde Δ m es el desplazamiento final correspondiente al estado límite de fallo.
Resultados de las pruebas
Los resultados procedentes de los ensayos se resumen en las siguientes secciones.
El comportamiento y la resistencia de histéresis.
Con el fin de calcular los parámetros estructurales de las ferrocemento prefabricados de paredes delgadas, las muestras fueron sometidas a cargas cíclicas que simulan la acción sísmica; las curvas de respuesta de histéresis extraídas de las pruebas se utilizaron para evaluar la resistencia a la rotura y la ductilidad del sistema.
Higo. 4 muestra uno de los ciclos de histéresis extraídas de las pruebas llevadas a cabo cíclicos en los ferrocemento prefabricados de paredes delgadas. Fig. 5 muestra la envolvente correspondiente a los mismos ciclos de histéresis. Los sobres positivos y negativos son similares; Por lo tanto, la media se calcula y se utiliza para los cálculos posteriores.
Los sobres extraídos de los ensayos cíclicos mostraron una capacidad lateral media máxima de carga de 13 kN.Uso de la E2126-11 norma ASTM (ASTM, 2011), y los sobres de los ciclos de histéresis, los parámetros estructurales de las paredes delgadas de ferrocemento se calcularon como se muestra en la Tabla 1 .
Disipación de energía y amortiguación.
Diseños estructurales actuales se basan en el análisis de la fragilidad, que tiene por objeto disipar la energía transmitida por las fuerzas dinámicas externas a través de la respuesta de histéresis; de esta manera, el margen de seguridad de los elementos estructurales se incrementa y se evita el fallo repentino del material. Con el fin de lograr este control en estructuras de ferrocemento, las paredes deben tener la capacidad para disipar la energía cuando se somete a condiciones de carga cíclicas. Una forma de cuantificar la cantidad de energía disipada cuando una estructura se somete a cargas timevarying es mediante el cálculo de la zona delimitada por los ciclos de histéresis (ver . Fig. 4 ).
Otra forma de evaluar la capacidad del material en términos de disipación de energía es por medio de la relación así llamada amortiguamiento viscoso equivalente (ξ eq ), que se define como (Priestley, 1996; Chopra, 2006):
donde E i representa la energía disipada por el elemento estructural en el i -ésimo ciclo de carga y ( E e ) i es la energía potencial elástica almacenada por un sistema elástico lineal equivalente cuando el desplazamiento máximo en el i -ésimo ciclo se alcanza en condiciones estáticas.
La energía disipada en el i -ésimo ciclo E i se puede calcular a partir de los ciclos de histéresis medidos. La energía potencial elástica almacenada por un sistema lineal equivalente ( E e ) i está dada por el área bajo la curva de carga frente desplazamiento obtenida en los ensayos cíclicos. Se administra por el área bajo un triángulo rectángulo cuya base es igual a la de desplazamiento positivo máximo medido en el modelo (Δ max ) i y cuya altura ( P m ) i es la carga pico promedio del ciclo analizado, es decir:
donde Ⅲ representa el valor absoluto, ( P max ) i y ( P min ) i representan los valores máximo y mínimo que la carga llega en el i -ésimo ciclo. Con estos datos, la energía ( E e ) i se puede calcular como:
La Tabla 2 muestra la energía E i y ( E e ) i , las derivas y el amortiguamiento viscoso equivalente calculada para cada nivel de la deriva.
Higo. 6 muestra la energía disipada acumulada como una función de la deriva. figura. 7 muestra el amortiguamiento viscoso equivalente como una función de la deriva. El sistema logra una mayor disipación de energía con un aumento de los desplazamientos. Por otra parte, el amortiguamiento viscoso equivalente está por encima de los valores habituales para sistemas basados en hormigón.
Del mismo modo, y de acuerdo con Priestley (2003), para los sistemas de pared, el coeficiente de amortiguamiento puede ser calculado de acuerdo con:
donde μ es el coeficiente de ductilidad calculado anteriormente. De acuerdo con la relación de ductilidad se muestra en la Tabla 1 y de los ensayos cíclicos realizados en las paredes de ferrocemento, el coeficiente de amortiguamiento viscoso equivalente es 17,98%, este valor está dentro del comportamiento se muestra en la figura. 7 .
Todas las paredes exhibieron pérdida de energía. Sin embargo, la forma redondeada de las curvas de histéresis y el área encerrada por los bucles sugieren que el sistema tiene buena capacidad de disipación de energía, ya que esto aumenta con la deriva. La forma de los bucles de histéresis determina de manera efectiva la capacidad de estas paredes para disipar la energía cuando son sometidos a cargas más allá de su rango lineal. Por otro lado, un pequeño grado de pellizco se puede observar en el centro de los bucles de histéresis debido a la apertura y cierre de grietas generadas en la superficie de las paredes, lo que afecta la capacidad del sistema para disipar la energía. Estos efectos se tendrán en cuenta en el modelo dinámico no lineal que se propone más adelante.
Coeficiente de capacidad de disipación de la energía.
El coeficiente de capacidad de disipación de energía ( R μ ) es un concepto orientado al diseño, que tiene como objetivo aproximar el comportamiento no lineal de sistemas estructurales cuando se someten a cargas sísmicas.Se utiliza en la mayoría de los códigos de diseño resistentes a los terremotos, a fin de reducir la magnitud de las cargas evaluadas desde el punto de vista elástico.
Con el fin de determinar R μ , se utilizó el modelo propuesto por Takada et al . (1988), que es independiente del período de la estructura:
donde ε es un factor de ajuste, que representa el grado de desviación de la R μ vs relación μ de la igualdad √ expresión de energía 2μ-1. Resultados procedentes de simulaciones Monte-Carlo indican que el valor promedio de ε es entre 1,05 a 1,34 (ver Miranda y Bertero, 1994 y Takada et al . , 1988 para más detalles acerca de la simulación de Monte-Carlo). Tomando ε = 1,05, tenemos que R μ = 2,38, y tomando ε = 1,34, tenemos que R μ = 3,04; estos valores de R μ son similares a los utilizados por Wainshtok-Rivas (2004) para el diseño sismorresistente de viviendas sobre la base de ferrocemento finas paredes prefabricadas en Cuba.
Modos de falla observados de las paredes sometidas a una carga cíclica.
Higo. 8 muestra las paredes delgadas de ferrocemento prefabricados después de los ensayos. La principal fuente de disipación de energía de las paredes era debido a la fluencia del refuerzo a la flexión en las zonas donde aparecieron las bisagras de plástico. En general, estas zonas se encuentran en la base de la pared. El patrón de la grieta observada sugiere una falla predominante debido al deslizamiento cizallamiento. Inicialmente, el comportamiento global fue de flexión y la mayoría de la fuerza de corte en la base de la pared se transmite por flexión a la zona de compresión. También había grietas en la zona de compresión. Más tarde, el aumento de la acción cíclica llevó a rendimiento de las mallas. Varios aparecieron grietas en la superficie de las paredes y su anchura y longitud aumentaron en la base de la pared. Hay que señalar que durante el ensayo cíclico, no había modos de falla frágiles de las paredes de ferrocemento.
Modelo analítico
El modelo de Bouc-Wen-Baber-Noori (BWBN) de histéresis (Baber y Wen, 1981; Baber y Noori, 1985) es muy popular en el campo de la dinámica estructural, ya que los modelos no sólo la degradación del material, sino también el efecto pellizcos . Se ha utilizado en una amplia gama de aplicaciones tales como la vibración de las estructuras de hormigón (Kunnath et al . , 1997), uniones de madera (Foliente, 1995; Ajavakom et al . , 2008), entre otros.
Consideremos un sistema de un solo grado de libertad (SDOF) con histéresis fuerza de recuperación y amortiguación viscosa, descrito por la ecuación diferencial
con las condiciones iniciales x (0) = v 0 y x (0) = α 0 . Aquí, V 0 y α 0 representan la velocidad inicial y la aceleración del sistema, x ( t ) denota el desplazamiento en el tiempo t , ω 0 2 : = k i / m es la frecuencia pseudo naturales cuadrado del sistema no lineal , m es la masa del sistema, ξ es el coeficiente de amortiguamiento viscoso, u ( t ) es la excitación externa (aceleración), α: = k f / k i es la relación de postyield k f a preyield (elástico) k i rigidez. El componente de histéresis se rige por la denominada desplazamiento de histéresis z , que viene dada por la siguiente ecuación
con la condición inicial z (0) = 0. Los parámetros β, γ y n controlar la forma de los ciclos de histéresis, y los parámetros de V ( t ), N ( t ) y h ( t ) están asociadas respectivamente a la resistencia, rigidez y pellizcos efectos de degradación, y que se definen como funciones de la energía de histéresis ε absorbida ( t )
La función de pellizcar h ( t ) se rige por la siguiente ecuación
donde z u es el valor máximo de z ,
y,
Las constantes p, q, ς 0 , Ψ 0 , î Psi y λ definen la forma del pellizco.
Identificación de los parámetros del modelo BWBN para las paredes delgadas de ferrocemento prefabricados.
Hemos empleado una novedosa metodología propuesta por Ortiz et al. (2012), que utiliza algoritmos evolutivos multiobjetivo con el fin de identificar los parámetros del modelo BWBN de histéresis. El conjunto de parámetros que deben ser identificados se representa por el vector p :
Tabla 3 muestra los resultados del proceso de identificación. Los dos primeros parámetros ( m, k i ) se obtuvieron de los ensayos experimentales.
Se puede observar que el valor de ξ es ligeramente diferente a la calculada previamente. Cabe señalar que existe una discrepancia de alrededor de 9% con respecto a la estimada antes.
Higo. 9 compara la histéresis experimental con el modelo de histéresis BWBN equipado. Se puede observar que el acuerdo es bastante bueno y la aproximación con los parámetros estimados es lo suficientemente bueno para la navegación. El desplazamiento máximo experimental fue 7,19 mm, y el desplazamiento máximo estimado es de 6,60 mm, lo que representa una diferencia en el desplazamiento de 0,59 mm. También se puede ver que los efectos de degradación son con éxito simulada por el modelo propuesto.
Evaluación Sísmica de las paredes delgadas de ferrocemento prefabricadas.
Con el fin de probar la capacidad del modelo para calcular los desplazamientos sufridos por la estructura cuando se aplica una excitación externa aleatoria, el sistema SDOF equivalente se sometió a la terremoto de Northridge 1994 (CESMD, 2012); los parámetros que se muestran en la Tabla 3 se utilizaron en el modelo. La respuesta simulada de la pared delgada de ferrocemento se muestra en la figura. 10 .
Los códigos de diseño sísmico en muchos países, tienen por objeto evitar que el daño de las estructuras bajo control cuando se somete a los terremotos de diferentes magnitudes. Para cada nivel de intensidad, diferentes escenarios de daños se predicen. En Colombia, por los sistemas estructurales prefabricados para viviendas a base de paredes delgadas, el entrepiso máxima desviación es inferior a 1/200, que es aplicable a todo tipo de escenarios de daños o actividad de la zona sísmica (de 0,05 g a 0,9 g). En este caso, el desplazamiento máximo permitido para paredes delgadas de ferrocemento prefabricados utilizados en esta investigación experimental es 10 mm, y el desplazamiento máximo calculado usando el terremoto 1994 de Northridge (0,8 g intensidad) fue de 1 mm, lo que es 90% menor que el desplazamiento máximo permitido por el código de diseño de Colombia. De acuerdo con los modos de fracaso observados en la campaña experimental, para los desplazamientos de menos de 1 mm, no hay modos de fallo frágiles. Este hecho demuestra el excelente rendimiento de este material cuando está sometido a excitaciones externas aleatorias.
Conclusiones
Basándose en los resultados experimentales, las paredes delgadas de ferrocemento prefabricados exhibieron alta resistencia y un buen rendimiento cuando se someten a condiciones de carga cíclicas. El modelo dinámico no lineal propuesto encaja muy bien con los resultados experimentales y el material y se puede utilizar para el diseño sismorresistente de viviendas construidas con ferrocemento en zonas con moderada a alta actividad sísmica.
Via:http://www.revistas.unal.edu.c
http://www.revistaingenieria.unal.edu.co/index.php/indexacion
