Proyecto de estructuras de hormigón armado con armaduras de alta

135 Pages·2007·1.87 MB·English

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CATALUÑA

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE

CAMINOS, CANALES Y PUERTOS DE BARCELONA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE LA CONSTRUCCIÓN

Proyecto de estructuras de hormigón
armado con armaduras de alta ductilidad

Tesina de Especialidad en Análisis y Proyecto de Estructuras

Por:

Jesús Miguel Bairán García

Tutor:
Antonio Marí Bernat

Barcelona, Julio 2007
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Resumen

Actualmente, en España se fabrican aceros con características especiales de
ductilidad, bajo al tipificación SD en la Instrucción EHE, cuya capacidad de
deformación en rango plástico es muy superior a la de los aceros
convencionales. La alta ductilidad de estos aceros ofrece potencialmente
numerosas ventajas de cara al comportamiento estructural en estado límite
último tanto frente a acciones sísmicas como gravitatorias.

En esta tesina se estudian las ventajas del uso de este tipo de aceros en el
proyecto de estructuras de hormigón armado y se investiga la influencia en la
capacidad rotación en rótulas plásticas y de redistribución de esfuerzos en
elementos estructurales. Se contempla el uso de hormigones de hasta 100
MPa siendo consistente con el alcance que tendrá la futura Instrucción
Española de Hormigón Estructural, EHE (2007). De igual modo, se investiga el
uso del confinamiento en el hormigón como herramienta habitual en el
dimensionado de piezas dúctiles capaces de producir redistribuciones
importantes.

Para llevara cabo este estudio se ha desarrollan dos modelos de análisis no-
lineal de estructuras de hormigón: uno a nivel seccional y otro a nivel
estructural. El modelo de análisis seccional considerar secciones de geometría
arbitraria constituidas por cualquier combinación de materiales. Asimismo se
ha desarrollado una variada biblioteca de modelos de materiales. A nivel
estructural, se ha implementado un elemento tipo barra 3D de directriz curva
arbitraria basado en la Formulación Matricial Generalizada (FMG).

Además de extraer las principales conclusiones y realizar recomendaciones
para futuros trabajos de investigación, se ha desarrollado un catálogo de
curvas de curvatura plástica y factor de endurecimiento para secciones
rectangulares de hormigón abarcando todo el rango de resistencias de la actual
instrucción, los tipos de acero y distintos niveles de confinamiento. Siguiendo
las recomendaciones elaboradas en esta tesina, puede emplearse dicho
catalogo para dimensionar las regiones de rótula plástica para una ductilidad
dada.
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Summary

Currently, Spanish steel industry is producing steel reinforcing bars with special
ductility characteristics which are typified as SD in the Spanish Code for
Structural Concrete. The deformation capacity of these steels in the plastic
range is considerably larger than the one of conventional steel reinforcing bars.
This high ductility offers numerous potential benefits on the structural behavior
under ultimate limit state, both under seismic and gravity loads.

In this thesis, the benefits of using this type of steels in the design of concrete
structures are studied and the influence of the rotation capacity of plastic hinges
and redistribution of internal-forces is investigated. Concrete strength up to 100
MPa are been considered to be consistent with the range of applicability of the
new Spanish Code (EHE, 2007). Confinement is investigated as a natural tool
to achieve high sectional ductility.

In order to carry out this investigation, two numerical models for the non-linear
analysis of concrete structures: one at the sectional level and the other at the
structural level. The sectional model allows analyzing cross sections of
arbitrary geometry built with any combination of materials. Additionally, a wide
library of material models has been developed. At the structural level, a 3D
flexibility-based curve element has been implemented based on the
Generalized Matrix Formulation (GMF).

A selection of the main conclusion of this thesis is presented and
recommendations for future investigations are made. On the other hand, a
catalog of plastic curvatures and the hardening factor for rectangular cross-
sections is offered, in the annexes of this thesis, for all concrete strengths
included in the current Spanish Concrete Code, types of steel reinforcement,
and different confinement levels. Following the recommendations given in this
work, the mentioned catalog may be used as a tool for designing plastic hinges
zones to have a given ductility.

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CONTENIDO

1. Introducción.................................................................................................... 9
1.1. Motivación................................................................................................9
1.2. Objetivos................................................................................................10
1.3. Contenido del documento.......................................................................11
2. Estado del conocimiento.............................................................................. 13
2.1. Comportamiento de los materiales.........................................................13
2.1.1. Hormigón.......................................................................................... 13
2.1.2. Acero................................................................................................ 18
2.2. Comportamiento no-lineal de secciones.................................................20
2.2.1. Respuesta a flexión de secciones de hormigón armado.................. 20
2.2.2. Interacción flexión cortante............................................................... 25
2.3. Comportamiento no-lineal de estructuras de barras...............................31
2.4. Métodos de diseño al límite....................................................................37
2.4.1 Método de las rotaciones impuestas (Macchi) .................................. 38
2.4.2 Método de las rotaciones últimas (Baker)......................................... 38
2.4.3 Cálculo de las demandas de rotación en las rótulas plásticas .......... 39
2.5. Redistribución de esfuerzos en los códigos de proyecto........................40
2.5.1. Código Modelo (CM 90), CEB-FIB (1993)........................................ 40
2.5.2. ACI–318, ACI (2005)........................................................................ 41
2.5.3. Eurocódigo 2, EC2 (2002)................................................................ 42
2.5.4. Instrucción EHE................................................................................ 43
3. Modelo de análisis........................................................................................ 45
3.1. Análisis seccional...................................................................................45
3.1.1 Ecuaciones constitutivas................................................................... 46
3.1.2 Descripción geométrica..................................................................... 48
3.1.3 Dominios de rotura............................................................................ 50
3.1.4 Cuantificación de la ductilidad seccional........................................... 51
3.1.5 Método de solución........................................................................... 53
3.1.6 Visualización de resultados............................................................... 53
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3.2. Modelo estructural..................................................................................55
3.2.3 Esquema de solución no-lineal.......................................................... 55
3.2.4 Modelo seccional............................................................................... 56
3.2.5 Formulación matricial generalizada (FMG)........................................ 56
3.3. Integración de rótulas plásticas..............................................................58
3.4. Validación...............................................................................................60
4. Estudio paramétrico ..................................................................................... 65
4.1. Estudio seccional ...................................................................................65
4.1.1. Propiedades mecánicas de cálculo.................................................. 66
4.1.2. Propiedades características - Efecto del confinamiento
transversal.................................................................................................. 69
4.2. Estudio estructural..................................................................................72
5. Proyecto de estructuras ............................................................................... 75
5.1. Ventajas económicas de la redistribución de esfuerzos.........................75
5.2. Ventajas constructivas y de ahorro de material por alternancia de cargas
......................................................................................................................77
6. Conclusiones y perspectivas........................................................................ 81
6.1. Conclusiones..........................................................................................81
6.2. Recomendaciones para futuras investigaciones....................................83
Referencias...................................................................................................... 85
Anejo 1: Diagramas de curvaturas plásticas adimensionales y factores
de endurecimiento con distintos niveles de confinamiento............................... 88
A1. Diagramas con deformaciones de cálculo en los aceros y sin
confinamiento................................................................................................... 89
A1.1 Aceros B400S.......................................................................................89
A1.2 Aceros B400SD ....................................................................................90
A1.3 Aceros B500S.......................................................................................91
A1.3 Aceros B500SD ....................................................................................92
A2. Diagramas con deformaciones características de los aceros y
distintos niveles de confinamiento.................................................................... 93
A2.1 Aceros B400S.......................................................................................93
A2.2 Aceros B400SD ..................................................................................101
A2.3 Aceros B500S.....................................................................................109
A2.4 Aceros B500SD ..................................................................................117
Anejo 2: INTERACCIÓN CORTANTE-FLEXIÓN EN HORMIGÓN
ARMADO - ANÁLISIS ALTERNATIVO EN SECCIÓN VERTICAL................. 125

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1. Introducción

1.1. Motivación
Actualmente, en España se fabrican aceros con características especiales de
ductilidad, bajo al tipificación SD en la Instrucción EHE, cuya capacidad de
deformación en rango plástico es muy superior a la de los aceros
convencionales. La alta ductilidad de estos aceros ofrece potencialmente
numerosas ventajas de cara al comportamiento estructural en estado límite
último.

Una ventaja inmediata se reconoce en el proyecto sismorresistente de
estructuras. En ese sentido, el comportamiento dúctil bajo cargas cíclicas es
un eficiente mecanismo de disipación de la energía sísmica de forma
económica; por lo que representa el mecanismo de disipación sísmica más
empleado en las construcciones convencionales.

En el campo de las acciones estáticas, una estructura con un comportamiento
dúctil en el rango no-lineal permite redistribuciones de las leyes de esfuerzos
antes del colapso. Esta capacidad de redistribución es directamente
proporcional a la capacidad de deformarse en rango no-lineal sin perder
capacidad de carga; es decir, a la ductilidad. La posibilidad de modificar de
forma segura la ley de esfuerzos permita, entre otras, las siguientes
versatilidades en el proyecto:

• Reducción de la concentración de armadura de flexión en las zonas más
solicitadas.
• Mejora de la facilidad de construcción.
• Optimización de armado ante hipótesis de carga distintas.
• Incremento de la seguridad global de las estructuras hiperestáticas.
• Proyectos más económicos.

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Sin embargo, no siempre la mayor ductilidad de las armaduras empleadas se
transfiere directamente a la estructura de hormigón armado; para ello, es
preciso que la misma sea dimensionada adecuadamente.

La futura instrucción EHE 1 presenta varias novedades respecto a su
antecesora, entre otras cabe citar, en el caso que nos ocupa, las siguientes:

• Generalización a los hormigones de alta resistencia hasta 100 MPa.
• Distinción del tipo de acero (S ó SD)2 la deformación máxima de cálculo en
la armadura traccionada.
• Distinción del tipo de acero (S ó SD) en la capacidad de redistribución de
esfuerzos permitida. Así mismo, ésta se da en función de la profundidad de la
fibra neutra, a diferencia de la edición anterior en la que la redistribución estaba
fijada a un valor constante de 15% siempre que x/d≤0.45.

Por redistribución permitida por la instrucción se debe entender aquella sin
realizar un cálculo explícito de la capacidad de rotación de las rótulas plásticas
y de la demanda de rotación necesaria para conseguir dicha redistribución. El
proyecto de estructuras basado en un cálculo no-lineal detallado está previsto
en dicha Instrucción de acuerdo a lo estipulado en su capítulo 5.

Por otro lado, se recuerda que los hormigones de alta resistencia presentan en
general un comportamiento más frágil que los hormigones ordinarios.

En este panorama se plantea la investigación llevada a cabo en esta tesina con
la finalidad de estudiar las ventajas reales que presentan los aceros SD en el
proyecto de estructuras de hormigón armado, así como proponer
recomendaciones para el mejor aprovechamiento de sus propiedades. En el
siguiente apartado se describen los objetivos específicos de esta tesina.

1.2. Objetivos
Los objetivos específicos de esta tesina son los siguientes:

1. Elaboración del estado actual del conocimiento sobre el proyecto y
cálculo no-lineal de estructuras de hormigón.
2. Desarrollo y validación de modelos de cálculo específicos para el
análisis del comportamiento no-lineal de secciones y estructuras de
hormigón armado teniendo en cuenta las características de los
materiales de forma realista.
3. Validación de los modelos desarrollados.
4. Realización de estudios paramétricos a nivel seccional y estructural. Se
pretende estudiar la influencia del tipo de acero, tipo de hormigón (se

1 En el momento de redacción de este documento, estaba publicado el
Documento 0 de la EHE-2007.
2 En la EHE, S es la designación de las armaduras soldables de ductilidad
normal, SD es la designación de las armaduras soldables de ductilidad especial.
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