INDICE DE TEMAS
Comportamiento de estructuras de hormigon bajo cargas ciclicas y dinámicas.
El comportamiento sísmico de las estructuras aporticadas de hormigón armado depende principalmente de su ductilidad.
La distribución del refuerzo longitudinal y transversal y el confinamiento en los elementos del sistema estructural, in huyen considerablemente en la forma de los ciclos histéricos.
Así, en los ciclos de la Figura 5.9 se observa el comportamiento dúctil sin pérdida de resistencia que presentan las vigas con refuerzo en ambas caras y con un buen confinamiento.
El caso opuesto, corresponde a una viga sin confinamiento, que presenta pérdida de resistencia y de gradación de rigidez.
Por lo tanto, es indispensable elegir con cuidado el modelo matemático de curvas de histéresis que re eje los detalles de una construcción concreta, usando métodos como los propuestos por Park (1973) y Otani (1981).
Desafortunadamente, la mayoría de los ensayos sobre vigas y columnas, no han incluido los sistemas de pisos y, por lo tanto, la respuesta de la estructura completa no ha sido evaluada propiamente.
Diferentes investigadores han confirmado que los diafragmas de piso y las vigas laterales tienen un efecto considerable sobre el comportamiento histerético de estas estructuras (Dowrick, 1997).
A continuación, se describe el comportamiento histerético de los elementos sometidos a exión uniaxial con y sin fuerza axial, que corresponden generalmente a los elementos tipo columna y tipo viga, respectivamente.
Miembros bajo exión uniaxial sin fuerza axial
Elementos con sección transversal y refuerzo simétrico El comportamiento cíclico de elementos sometidos a conexión con refuerzo simétrico ha sido investigado por diferentes autores (Ma et al, 1976; Celebi y Penzien, 1973; Otani et al., 1980; Saatcioglou y Ozcebe, 1989; Ang et al., 1989).
En esta Figura, se observa que, después de producirse el agrietamiento por e xión, comienza un ablandamiento gradual de la respuesta, que está gobernado por factores tales como:
- La propagación de las grietas a lo largo de la longitud del elemento,
- El ablandamiento debido a la tracción del hormigón y
- El comienzo de la no linealidad del hormigón en compresión.
Como el refuerzo en las vigas está con centrado cerca de la parte superior y/o inferior de la sección transversal, la cedencia del acero de tracción en la sección transversal de máximo momento, se detecta por un ablandamiento abrupto de la respuesta esfuerzo-deformación total.
Después de la cedencia, la resistencia del elemento continua aumentando, en primer lugar, debido a la reducción en la profundidad del eje neutro causada por la gran deformación post-cedencia del acero de tracción, que a su vez incrementa el nivel del brazo de las fuerzas internas, y en segundo lugar, debido a que puede iniciarse el endurecimiento por deformación del refuerzo de tracción.
El desprendimiento del hormigón de recubrimiento para deformaciones cercanas a 0.002 tiene un efecto negativo so bre la resistencia. Dependiendo de la magnitud de las deformaciones impuestas y de las deformaciones del elemento, el acero de compresión puede también ceder y puede dejar de contribuir a la rigidez tangente del miembro.
Estos efectos negativos se compensan satisfactoriamente con el incremento en la resistencia y rigidez del núcleo de hormigón, debido al inicio gradual del estado de esfuerzos triaxial en la zona comprimida, afectada por la movilización del refuerzo de confinamiento (ASCE, 1996).
En la descarga, se observa inicialmente que la rigidez es alta, aproximadamente del orden de la rigidez elástica, no obstante, la rama de descarga se suaviza gra dualmente, especialmente cuando la fuerza aplicada tiende a cero.
La rigidez tan gente decrece cuando se incrementa el valor de la deformación en el comienzo de la descarga. Esta reducción es parte de la llamada, degradación de rigidez, que es una característica típica del comportamiento de los miembros de hormigón armado.
La curva de recarga debida a la inversión de la dirección de la carga aplicada, es inicialmente muy débil, más que la parte final de la curva anterior de descarga.
La razón de ello, es que la inversión de la carga, produce la abertura de grietas en la nueva cara del elemento a tracción, antes de la recuperación completa de la adhe rencia por deslizamiento, es decir, antes de que las grietas producidas en la fase de carga anterior, se cierren.
Durante la recarga, las grietas en la zona de compresión se cierran gradualmente, lo que produce una reactivación del hormigón que se manifi esta en un endurecimiento de la curva de recarga.
Como el ablandamiento inicial del comportamiento de la recarga y el posterior endurecimiento pueden también apare cer en la curva de recarga en la dirección opuesta, los lazos de histéresis resultantes son estrangulados hacia el origen.
Este efecto se conoce como estrechamiento, o en la literatura inglesa como pinching .
Después del endurecimiento, que concluye con el efecto de estrechamiento, la curva de recarga comienza a suavizarse de nuevo, debido a la cedencia del acero, nuevamente ba jo el lado a tracción.
A pesar de que la primera excursión post-elástica del miembro en la dirección opuesta de carga puede ser considerada como una carga inicial, el suavizado de la respuesta es más gradual que en la dirección previa, debido a que las barras de acero, que ahora están cediendo a tracción, pueden haber cedido a compresión durante la mitad del ciclo de carga anterior y, por lo tanto, exhibir una forma redondeada de la curva esfuerzo-deformación durante la cedencia en la dirección opuesta, que es conocida como efecto Bauschinger . Debido al mismo efecto, las barras sobre el lado a compresión, que han cedido a tracción durante la mitad del ciclo anterior, comienzan a ceder gradualmente, contribuyendo, por lo tanto, a un ablandamiento en la recarga.
La recarga en los ciclos posteriores siguen el mismo patrón pero con un comportamiento más débil, tal que las curvas de recarga parecen dirigirse al punto más extremo de la deformación previa en la dirección de recarga. Por lo tanto, la rigidez total de las ramas de recarga, decrece con el incremento de la magnitud de la deformación máxima alcanzada en el ciclo previo.
Ésta es la manifestación de la degradación de rigidez de recarga debido a los ciclos. Los efectos de la degradación de la resistencia son más evidentes entre un ciclo de deformación y el próximo, aún alcanzando el mismo nivel de deformación que ciclos anteriores.
Este fenómeno, conocido como pérdida de resistencia, se debe a múltiples fenómenos, de los cuales los más importantes son:
La alternancia de la apertura y el cierre de grietas, producen una pérdida de resistencia y una degradación de la rigidez del hormigón a compresión, debido a la existencia de ligeros desplazamientos relativos, por cortante entre las grietas.
El deterioro gradual del comportamiento cíclico a cortante, junto con el de terioro de la transferencia de cortante a través de las grietas abiertas, espe cialmente en los instantes en los que los refuerzos a compresión y tracción constituyen el par de fuerzas resistentes, causando deslizamientos a lo largo de las barras y posteriormente el deterioro de la adherencia, la degradación de la rigidez y la pérdida de resistencia.
En las vigas bien diseñadas y detalladas, la degradación de la resistencia con los ciclos es menor. Sin embargo, si la viga está sometida a ciclos sucesivos de amplitud constante de fuerza o de exión, tal deterioro es notable entre el primer y segundo ciclo, pero posteriormente disminuye prácticamente a cero, conduciendo a un comportamiento histerético muy estable y una capacidad de disipación de energía notable.
La degradación de la resistencia con los ciclos decrece cuando el acero transversal aumenta, debido a que éste mejora el comportamiento a cortante cíclico y aumenta el confinamiento del hormigón comprimido.
Por el contrario, cuando la relación del acero longitudinal crece, la degradación de rigidez y la pérdida de resistencia con los ciclos, parece que también aumenta, debido a que el hormigón, que es la causa de tal deterioro, llega a ser más crítico.
El fallo de vigas debido a exión cíclica es típicamente gradual, controlado por el deterioro progresivo de la zona comprimida.
Este deterioro, comienza con el desprendimiento del recubrimiento de hormigón y, puede continuar con el pandeo local del refuerzo que pierde su soporte lateral y con la desintegración del núcleo de hormigón, que con frecuencia es precipitado por la propagación de las grietas de cortante diagonal en el interior de la zona comprimida.
Las vigas ligeramente reforzadas, pueden experimentar un fallo repentino, debido a la fractura del refuerzo de tracción.
Este fenómeno puede identificarse fácilmente en el diagrama esfuerzo deformación por una caída brusca y considerable del esfuerzo, que conlleva al fallo de un elemento (ASCE, 1996).
Elementos con sección transversal y refuerzo asimétrico Las vigas de pórticos de hormigón armado, usualmente tienen secciones transversales asimétricas. Esto se debe, a que dentro de las regiones críticas en los extremos de las vigas, la cantidad de acero superior excede al de la cara inferior.
Adicionalmente, la forma de la sección transversal no es rectangular sino en forma de T o L, con un ancho de reborde efectivo, el cual es diferente en tracción y en compresión.
En las vigas vaciadas monolíticamente con el forjado, el ancho efectivo aumenta con la magnitud del momento en el extremo y con la deformación, especialmente después de la cedencia de las barras de acero longitudinal.
La principal diferencia del comportamiento cíclico a exión entre vigas con sec ción transversal y refuerzo simétrico y vigas con refuerzo asimétrico y/o sección transversal en T, es que estas últimas, exhiben lazos histeréticos asimétricos, como semuestraenlaFigura5.12. El perfil de las curvas esfuerzo-deformación en el cuadrante de carga que re presenta la dirección de mayor resistencia del elemento, es similar al de las curvas del apartado anterior.
Sin embargo, las principales diferencias pueden notarse en el resto de los cuadrantes. Durante la recarga en la dirección más débil, con las grietas sobre el lado a compresión aún abiertas, la cedencia a tracción de las barras de acero, no es suficiente para causar que las barras a compresión también cedan y que las grietas se cierren.
Así, mientras en el lado fuerte se presenta una excursión de cedencia, en la dirección opuesta (débil) las grietas permanecen abiertas, sin que se presente un aumento gradual de la rigidez, causado por el cierre de grietas y, por lo tanto, sin efecto de estrechamiento, sin embargo, éste se presenta sobre la recarga en la dirección fuerte, y es un poco pronunciado cuando separa un estado de rigidez de recarga ba jo de un estado siguiente muy rígido.
En el primer estado, el refuerzo sobre el lado débil ha sido forzado a ceder en compresión con las grietas aún com pletamente abiertas, mientras que en el estado siguiente, las grietas se han cerrado sobre el lado a compresión, mientras el refuerzo a tracción sobre el lado fuerte está aún dentro del rango elástico (ASCE, 1996).
Los dos lados de la sección transversal asimétrica, pueden también experimentar diferentes modos de fallo ba jo cargas cíclicas.
El fallo con el lado fuerte en trac ción, es generalmente gradual, con una desintegración progresiva del lado débil a compresión y un aplastamiento del hormigón. Por el contrario, el fallo con el lado débil a tracción puede ser abrupto, con las barras de acero fracturándose a tracción, después de experimentar un pandeo en la mitad del ciclo anterior.
Usualmente, el fallo del acero sobre el lado débil, es precedido por una caída considerable en la resistencia, durante la mitad de un ciclo con el lado fuerte a tracción, el cual puede ser caracterizado como fallo del elemento.
En otras palabras, ba jo historias de carga cíclica con desplazamiento controlado, el fallo de una sección con refuerzo asimétrico, típicamente ocurre con el lado fuerte a tracción.
