Con INESA TECH aprenderás cómo aplicar los aspectos fundamentales del diseño de estructuras de concreto reforzado para atender demandas sísmicas. Si te interesa saber cómo implementar criterios y conceptos que conduzcan a diseños eficientes, continúa leyendo la información que te presentamos en este artículo.
Comportamiento estructural del sistema de muros con vigas de acople
Los muros de concreto reforzado representan una solución eficiente para la configuración estructural de edificios sobre los que pueden actuar fuerzas sísmicas de intensidad considerable. El sistema de muros es efectivo no solo para los propósitos de resistencia, sino también para el control de derivas.
Al incorporarse dentro de la propuesta arquitectónica de una edificación particular, es usual que los muros se vean modificados por aberturas para puertas, ventanas u otros servicios necesarios para el funcionamiento de la estructura. Cuando esas aberturas se pueden disponer de forma conveniente para el diseño estructural, los muros quedan conectados entre sí por vigas. El sistema resistente así conformado se denomina usualmente sistema de muros acoplados, por cuenta de la acción de vínculo que ejerce sobre ellos el elemento conocido como viga de acople o de acoplamiento.
Ventajas del sistema de muros con vigas de acople
Dada su considerable rigidez, el sistema estructural conformado por muros con vigas de acople resulta favorable para el control de deformaciones laterales. La presencia de las vigas que vinculan los muros facilita la disipación de energía, ofreciendo una ductilidad significativa cuando se cumplen requisitos estrictos de dimensionamiento de las secciones y de detallado del refuerzo correspondiente. Cuando se detallan correctamente, los muros acoplados ofrecen características óptimas de comportamiento estructural ante cargas laterales.
En la figura siguiente, se presentan varias opciones de configuración de muros con vigas de acople. Como puede notarse, es posible vincular dos o más muros que están en el mismo plano y que tienen longitudes equivalentes – y rigideces equivalentes, finalmente – pero también se puede optar, en caso de que deban respetarse ciertas restricciones arquitectónicas o estructurales, por conectar muros con diferentes rigideces laterales.
Grado de acoplamiento de los muros
El estudio del comportamiento estático de los muros acoplados se puede analizar con base en la siguiente Figura, tomada de la referencia [2].
Si el momento total en la base se denota como Mot, las condiciones de equilibrio conducen a la siguiente expresión:
El efecto de la variación de la rigidez, cuantificada a partir de la esbeltez de las vigas de acople (hb/lb), en la distribución de momentos en los muros estructurales (Mw1 y Mw2) puede entenderse cualitativamente con ayuda de la gráfica de la ecuación (1), para el caso en el que se consideran dos muros con rigideces EIw1 = 2EIw2 [3].
En la medida en la que las vigas de acople tienen mayor rigidez, la contribución asociada al momento Tol se incrementa de forma significativa. Desde el punto de vista del comportamiento sísmico, se puede esperar una mayor eficiencia en términos de disipación de energía del mecanismo cuando la participación de las vigas de acople es dominante si se le compara con la contribución de las rótulas plásticas en la base de los muros.
La relación entre el momento resistido con el par de fuerzas de tracción y compresión en la base de los muros y el momento total de volcamiento actuante se denomina usualmente grado de acoplamiento de los muros. Con una mayor contribución del momento Tol se obtiene una reducción en los momentos actuantes en la base de cada uno de los muros. Este comportamiento tiene ventajas desde el punto de vista de la formulación de las alternativas de cimentación puesto que conduce a la reducción de las solicitaciones de diseño.
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Dimensionamiento de vigas de acople del sistema de muros
Con base en la relación luz/altura de las vigas de acople y en los esfuerzos de cortante, Moehle [5] propuso el cuadro que se muestra a continuación para agrupar en categorías las diferentes tipologías que pueden aparecer en el diseño.
Las diferentes zonas de la gráfica anterior ayudan a establecer si en las vigas de acople es posible utilizar refuerzo diagonal o si se pueden detallar como vigas de pórtico resistente a momentos. Además, el límite de la zona achurada superior representa el esfuerzo cortante máximo establecido por el ACI 318-19.
Requisitos normativos ACI 318-19/ ASCE 7-22 para muros con vigas de acople
En el código ACI 318-19, se introdujo la definición del sistema estructural de muros acoplados dúctiles de concreto reforzado. Los muros que lo conforman deben ser del tipo especial y deben satisfacer los requisitos establecidos en la sección 18.10. Adicionalmente, las vigas de acople deben cumplir con los requisitos de detallado de refuerzo de la sección 18.10.7.
Para las vigas de acople, el ACI 318-19 presenta dos alternativas de confinamiento del refuerzo diagonal: en la primera, se suministra confinamiento individual de cada diagonal que compone el refuerzo de la viga; en tanto que en la segunda se usa un refuerzo de confinamiento global de ambas diagonales. Con propósitos ilustrativos, se muestra a continuación la información contenida en el ACI 318-19.
- Refuerzo de confinamiento en diagonales individuales:
- Refuerzo de confinamiento alrededor de las dos diagonales:
En lo que respecta a los parámetros que rigen el diseño sísmico del sistema de muros acoplados, el ASCE 7-22 adicionó en su Tabla 12.2-1 el sistema de muros acoplados dúctiles de concreto reforzado. Los muros designados bajo esta categoría pueden diseñarse considerando valores de R=8, Ωo=2.5 y Cd=8. Es importante tener en cuenta, adicionalmente, que la altura del sistema no debe ser menor que 60 ft.
Implementación computacional – Modelos con elementos finitos de muros con vigas de acople
El comportamiento estructural de los muros de concreto reforzado con vigas de acople se puede analizar con base en modelos de elementos finitos. En la figura siguiente se presenta la distribución cualitativa de fuerzas verticales y máximas en un conjunto de muros acoplados de diez niveles, modelados en ETABS, sometidos únicamente a cargas laterales.
A partir de la distribución de fuerzas verticales y de fuerzas máximas (vectoriales), el ingeniero diseñador podrá tomar decisiones sobre la configuración estructural con el objetivo de generar la alternativa más eficiente para resistir el conjunto de cargas verticales y laterales.
De igual forma, está disponible el enfoque del análisis no lineal estático (pushover) para estudiar la formación de rótulas plásticas en las vigas de acople y en la base de los muros. Por medio del análisis no lineal se puede cuantificar el desempeño sísmico de la estructura para un nivel específico de fuerzas laterales.
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Comentarios finales
Con base en lo expuesto en [8], el objetivo de desempeño del sistema de muros dúctiles acoplados es lograr que la mayor disipación de energía ocurra en las vigas de acople, siendo análogo su comportamiento a aquel que se obtiene con el criterio viga débil/columna fuerte en pórticos resistentes a momento.
El sistema de muros acoplados, siempre que sea correctamente dimensionado y detallado, ofrece ventajas importantes para lograr un adecuado comportamiento sísmico en términos de ductilidad y rigidez. El estudio profundo de las dimensiones relativas de muros y vigas de acople conduce a la generación de una alternativa de estructuración que transmite cargas menores a la cimentación cuando se le compara con sistemas tradicionales de muros de concreto reforzado. En ese sentido, establecer una relación de acoplamiento conveniente, es un aspecto de diseño esencial.
Referencias
[1] S.K. Ghosh (2019). Ductile Coupled Reinforced Concrete Shear Walls and Coupled Composite Steel Plate Shear Walls as Distinct Seismic Force-Resisting Systems in ASCE 7. SEAOC Convention Proceedings.
[2] Park, R., Paulay, T., Bull, D.K. (1997), Seismic Design of Reinforced Concrete Structures, New Zealand Concrete Society, Technical Report No. 20.
[3] Wight, James K. (2016). Reinforced Concrete Mechanics and Design. 7th Ed, Pearson, New Jersey, pp. 1144.
[4] Paulay, T., Priestley, MJN. (1992). Seismic Design of Reinforced Concrete and Masonry Buildings, John Wiley & Sons, Inc., pp. 744.
[5] Moehle, J. P. (2014). Seismic Design of Reinforced Concrete Buildings, McGraw-Hill Education, New York, NY, pp. 760.
[6] ACI (2019). Building Code Requirements for Structural Concrete, ACI 318-19 and Commentary, ACI 318R-19, American Concrete Institute, Country Club Hills, MI.
[7] ASCE (2022). Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structures, ASCE/SEI 7-22, American Society of Civil Engineers, Reston, VA.
[8] S.K. Ghosh (2022). Ductile Coupled Reinforced Concrete Shear Wall System. Structure Magazine, September (https://www.structuremag.org/?p=21341).
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