Revisión del diseño tradicional de un elemento estructural según el método de diseño por desplazamientos consistentes

Abstract

RESUMEN Actualmente Colombia reglamenta el diseño de edificaciones de concreto con las Normas colombianas de diseño y construcción sismorresistente 1998 (NSR-98), en la cual las fuerzas sísmicas en su totalidad son utilizadas para el chequeo de derivas pero divididas por un valor R para el diseño y la asignación del refuerzo. Se justifica esta división desde el punto de vista de la capacidad de disipación de energía de las estructuras que cumplen cierto requisito de diseño. Sin embargo, a la luz del método de los desplazamientos consistentes se puede criticar el valor R para que sea compatible con la sección diseñada y no con base en los compromisos que se adquieren con los diferentes niveles de disipación. Esto se hace a través de una comparación entre la capacidad de ductilidad real de la estructura y la demanda de ductilidad, de las cuales el diagrama momento-curvatura de la sección diseñada es base. Así pues, en este trabajo se diseñará un muro según la NSR-98 y el refuerzo obtenido será el punto de partida para un análisis según el método de los desplazamientos consistentes donde se encontró que cumplen las tres comparaciones que el método propone: por ductilidades, por aceleraciones (una propia de la sección contra una que depende del espectro) y por desplazamientos (según la deriva admisible de la Norma y la encontrada a través del diagrama momento-curvatura). Se encuentra también una crítica al valor de R adoptado por la Norma y su incompatibilidad con la deriva tan pequeña impuesta. Variando parámetros como la cuantía longitudinal de acero se encontró que ésta puede ser menor a la exigida por la Norma y así cumplir ductilidad. Sin embargo, no se estaría cumpliendo con derivas. Un efecto inverso ocurre al aumentar el diámetro de las barras de acero, en donde la deriva se hace más competente pero se descuida un poco la ductilidad. Por último se concluye que el método es demasiado sensible a un parámetro muchas veces pasado de largo: La longitud plástica y se concluye en éste trabajo que puede dejar de ser una propiedad del muro para convertirse en un objetivo de diseño. Otro enfoque de la Norma, puede verse a partir de otro método de diseño por desplazamientos, se trata de una propuesta general desarrollada por Priestley, Calvi y Kowalsky, ya que mientras el método de las fuerzas (NSR-98) analiza la estructura con las propiedades elásticas (rigidez y amortiguamiento), el diseño por desplazamientos, consciente de que se pasará el rango elástico, caracteriza la estructura tanto para el análisis como para el diseño con una rigidez y nivel de amortiguamiento equivalente. El punto de llegada es encontrar un cortante basal asociado a un desplazamiento objetivo, el cual es comparable con la deriva impuesta por la Norma. Sin embargo, la Norma utiliza un cortante basal para análisis y después se divide por R para efectos de diseño, esto hace que se dificulte la comparación con el método de diseño por desplazamientos ya que el resultado obtenido no es tan grande como el utilizado para chequeo de derivas ni tan pequeño como el usado para diseñar. Aún así, se variaron parámetros sísmicos y las derivas para encontrar igual cortante basal al que se tiene en cuenta para efectos de diseño.

ABSTRACT: Colombian Design Regulation for Seismic Construction, NSR-98 (as abbreviated in Spanish) regulates the structural design in Colombia, wherein the seismic forces are used to verify drift but divided by an R factor when designing the reinforcement. This division is justified by the capacity of energy dissipation of structures designed according to some requirements the NSR-98 has established. Nevertheless, the R value may not be compatible with the real ductility of the element. Consistent displacement based design propose a comparison between the final and real ductility capacity and ductility demand of which moment-curvature diagram is base. Since a section must be already designed, an NSR-98 based design was the starting point for the method developed in this work. The capacity of ductility was compared with the demand, and the former turned out to be higher. There are also other two comparisons: of accelerations (one intrinsic of the designed section with one dependent of the NSR-98 spectrum) and of displacements (related with the NSR-98 maximum drift and the moment-curvature diagram). Both of them were satisfied. Changing parameters it was found that it could be possible to reduce the amount of steel in the section and still fulfilling the ductility condition but not the drift requirement. Another parameter which the method is very sensible of is the plastic length, and it could be assumed as an objective rather than a property in order to get more competitive walls. Force based methods, like the NSR-98, rely on the initials properties in the force displacement graphic. This is indirectly criticized in a Priestley, Calvi and Kowalsky proposal where damping and stiffness are taken into account for the properties needed for both analysis and design. At the end of this method it was found a base shear force related to a target displacement, which is comparable with the drift imposed by the NSR-98. A difficulty was encounter when trying to compare base shear of the NSR-98 with the found trough the Displacement-Based Method since the former uses two forces, one for design and other for drift’s check. However, a comparison was made changing different parameters in order to get the same Base shear in both, Displacement-based method and NSR-98 procedure.