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• Tania Rivera

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ANALISIS ESTRUCTURAL II

 Profesor: Ing. Salazar  Alumnos: -De paz Ramírez Eva Julieta -Rivera Carrillo Margarita Tania -Ferro Rojas Jean Carlos.  Sección: A  Manual: ductilidad

DUCTILIDAD 1.DEFINICIONES DUCTILIDAD. - La ductilidad se define como la propiedad de la estructura de soportar deformaciones una vez alcanzado su límite elástico; es decir, la capacidad de deformarse en el rango inelástico sin colapsar. (Ottazzi, 2004) Como definición del término ductilidad podemos decir que es la propiedad que define la posibilidad de la estructura o algunos de sus componentes estructurales de experimentar deformaciones más allá del límite elástico sin reducir de manera significativa su resistencia o rigidez. Desde que un elemento sobrepasa el límite de fluencia o elástico, la curva que define su comportamiento empieza a cambiar su inclinación acercándose a la orientación del eje horizontal. La ductilidad es una de las propiedades más importantes en el comportamiento de las edificaciones de concreto armado ante sismos severos y poco frecuentes. El comportamiento dúctil de una sección de concreto armado se logra principalmente por la ductilidad del acero de refuerzo, permitiendo alcanzar grandes deformaciones luego de superar el límite de elasticidad. Caso contrario sucede con el concreto, el cual es un material frágil y con poca resistencia a la tracción. (Wendel y Keller, 2013). La ductilidad de una estructura permite la predicción de la capacidad última de una estructura, que es el criterio más importante para el diseño de estructuras bajo cargas convencionales. En la práctica del diseño resistente a los terremotos, el término ductilidad se utiliza para evaluar el comportamiento sísmico de estructuras, mediante la indicación de la cantidad de energía sísmica que puede ser disipada mediante deformaciones plásticas (Gioncu, 2000).

FRAGILIDAD: Es lo opuesto a la ductilidad, es decir, aquello que al ser sometido a fuerzas para ser deformado se rompe fácilmente. De allí que antónimos de ductilidad sean inflexibilidad, irreductibilidad y dureza. MALEABILIDAD: Es una propiedad de los materiales solidos que pueden transformarse en láminas de poco espesor, a través de cierta presión, sin que el material se destruya, como es el caso del aluminio que se puede convertir en papel de aluminio y, puede ser utilizado para diferentes fines, el oro, el cobre, el estaño, entre otros.

DUCTIBILIDAD: Término incorrecto. No existe el término.

TIPOS DE DUCTILIDAD (Gioncu, 2000): - Ductilidad del material o ductilidad axial, que caracteriza a las deformaciones plásticas del propio material.

- Ductilidad de la sección transversal, o ductilidad de curvatura, que se refiere a las deformaciones plásticas de la sección transversal, teniendo en cuenta la interacción entre las partes que componen la sección transversal en sí.

- Ductilidad del elemento, o la ductilidad de rotación, cuando se consideran las propiedades del elemento.

- Ductilidad de la estructura, o ductilidad de desplazamiento, que considera el comportamiento de toda la estructura.

En la figura se muestra los gráficos representativos y fórmulas de definición de acuerdo al tipo de ductilidad seleccionada, se debe tomar en cuenta que el subíndice μ se refiere a la deformación máxima (deformación, la curvatura, la rotación o desplazamiento), mientras que el subíndice y indica la deformación correspondiente por primera flexible

2.TÉRMINOS DE OBTENCIÓN DE DUCTILIDAD

MEDIDAS DE DUCTILIDAD Tras una prueba de tensión, o prueba de tracción, son dos las medidas que nos proporcionan información acerca de la ductilidad de un material: el porcentaje de elongación y la reducción porcentual en el área.



El porcentaje de elongación cuantifica la deformación permanente en la rotura (deformación plástica), es decir, no se incluye la deformación recuperada tras la fractura (deformación elástica). De esta manera, se mide la distancia entre las medidas calibradas en la muestra antes y después de la prueba. Se observa que la deformación tras la falla (rotura) es menor que la deformación en el punto de ruptura, debido a que el esfuerzo elástico se recupera cuando cesa la carga. El porcentaje de elongación puede escribirse como:

Donde Lf es la distancia entre las marcas calibradas tras la falla de la muestra.



La reducción porcentual del área consiste en medir el cambio en el área de la sección transversal en el punto de fractura antes y después de la prueba. Describe pues, la cantidad de adelgazamiento sufrido por el espécimen durante la prueba:

Donde Af es el área de la sección transversal final en la superficie de la fractura.

¿Cómo se mide la ductilidad?

La ductilidad de un material, se mide mediante una probeta en una máquina de tracción, y se define como "el % de elongación que soporta el material al llegar a la zona plástica antes de romperse". Es la habilidad de un material para deformarse antes de fracturarse. Es una característica muy importante en el diseño estructural, puesto que un material dúctil es usualmente muy resistente a cargas de impacto. Tiene además la ventaja de “avisar” cuando va a ocurrir la fractura, al hacerse visible su gran deformación.

3.- APLICABILIDAD Y FORMAS DE EMPLEARLA EN ESTRUCTURAS DE CONCRETO ARMADO Y DE ACERO.

Si la viga la hacemos de hormigón y sin armaduras (sin barras), ponemos apoyos en los extremos y la parte central, y la cargamos sucesivamente mediante pesos en ambos lados, puede ocurrir que:  

Al colocar el primer peso, la viga se deforme un poco. Al colocar el segundo peso, la viga se rompe súbitamente.

Esto se produce porque el hormigón es un material frágil, no tiene ductilidad.

En cambio, si a la viga de hormigón le incorporamos barras de acero (hormigón + barras de acero), procedemos de la misma manera que en el caso anterior el resultado sería el siguiente:    

Al colocar el primer peso, la viga se deforma un poco. Al colocar el segundo peso, la viga continúa deformándose. Y al colocar el tercer peso, la viga se deforma un poco más y aparecen pequeñas grietas. Al colocar el cuarto peso, la viga se deforma más y surgen grietas mayores.

  

“En general, la viga será más dúctil cuando más ductilidad tenga el acero”. “La ductilidad de un acero sometido a tracción es la capacidad para deformarse bajo carga, sin romperse, una vez superado el límite elástico” Por tanto, el HORMIGÓN necesita la ayuda de las BARRAS DE ACERO para tener DUCTILIDAD.

Lo óptimo es que las edificaciones cuenten con un diseño sismorresistente, en el que se empleen tipologías estructurales que aseguren suficiente ductilidad. Configuraciones estructurales que cumplan los siguientes requisitos: -Que aseguren un comportamiento inelástico global de la estructura. -Que permitan predefinir las zonas donde se concentren las deformaciones inelásticas. -Que permitan incrementar la resistencia estructural en las zonas de la estructura que deben permanecer elásticas.

Los sistemas estructurales más utilizados son:

Edificios porticado típico, ductilidad más alta que el resto de estructuras. Es necesario aplicar disposiciones normativas especiales para el detalle de armado de las secciones, para garantizar que la respuesta plástica se alcanza sin originar el fallo súbito de los elementos. Otra disposición normativa es la que restringir los desplazamientos laterales de los edificios, limitando de esta manera los daños estructurales y no estructurales. Para ello se aplica el concepto de proyecto sismorresistente conocido como viga débilpilar fuerte, que asegura la formación de rótulas plásticas que no generen mecanismos cinemáticamente inestables bajo la acción de las fuerzas horizontales.

Edificio con pantallas a cortante, edificios de baja ductilidad

Edificio con sistema dual, la diferencia de ductilidad de ambos sistemas, hace que se tenga un especial cuidado en el dimensionamiento y en el armado de los elementos de conexión para evitar posibles fallos debidos a la concentración de tensiones en la zona de transición de un sistema a otro.

Edificio con pantallas prefabricadas, tiene su punto débil en la conexión entre las pantallas. Presenta generalmente ductilidad baja.

Sistema con pilares y losas planas, la falta de nudos y vigas hacen difícil un diseño dúctil, por no poder realizar secciones adecuadamente confinadas.

EJEMPLOS DE COMPORTAMIENTO SÍSMICO REAL DE ESTRUCTURAS DÚCTILES Y NO DÚCTILES

Colapso De planta baja débil en un edificio de hormigón armado. Adapazari, Turquía, 1999. En el caso, por ejemplo, de la combinación de diferentes sistemas estructurales (pórticos y muros de cortante) origina edificios con grandes excentricidades (centro de gravedad de la planta muy distante del centro de rigidez), ocurre el fenómeno de la torsión global de la estructura. Comportamiento dúctil de los pilares pertenecientes a una planta baja débil en un edificio de hormigón armado durante el terremoto de ChiChi, Taiwan, 1999.En este caso se observa el fallo de un edificio d baja altura, en el cual el efecto de la planta baja débil se combina con el de torsión lo que conduce al colapso de algunos de los pilares de la planta baja, ubicados hacia una esquina. Cuando hay reducción brusca de rigidez (reducción de las dimensiones de los pilares respecto a las de los pilares de los niveles inferiores), dicho efecto hace que los desplomes se incrementen en el nivel con menor rigidez y que ocurra un incremento de los momentos por sismo en los extremos de los pilares, produciéndose el fallo de éstos. En la imagen, desaparición de una planta intermedia como consecuencia de la formación de un mecanismo de colapso, en un edificio de 5 niveles, terremoto de Kobe, Japón, 1994.

En otras ocasiones, la torsión es la que origina el colapso. Se observa en la imagen, que los efectos torsionales inducidos fueron de tal magnitud que los pilares fallaron a pesar de mantener una respuesta dúctil, produciéndose e colapso de la estructura. Colapso de edificio de hormigón armado en la ciudad de México, durante el terremoto de 1985.

Se observa la formación de una rótula plástica en el extremo inferior de un pilar ubicado en línea exterior de un edificio con planta baja débil, terremoto de San Fernando, 1971.

Determinación de las resistencias características para el cálculo de los factores de reducción por redundancia y por reserva de resistencia.

Curva de capacidad con los estados límites de la estructura.

4. VENTAJAS Y DESVENTAJAS a). EL HORMIGÓN Y EL ACERO.

El hormigón es un material heterogéneo y con un comportamiento complejo. Se refuerza disponiendo barras de acero en las zonas donde está sometido a tracción. Tiene la ventaja frente a otros materiales constructivos de poder adaptarse a la forma del molde en que se vierte. Comparado con el hormigón, el acero es un material de elevada resistencia. Resiste hasta diez veces más a compresión que el hormigón y hasta cien veces más a tracción. Siendo el acero un material más costoso que el hormigón, la forma óptima de utilizarlos a ambos es combinarlos de manera que el acero trabaje sólo donde el hormigón no puede. El comportamiento del hormigón es el de un material frágil. Por su parte el acero tiene la capacidad de deformarse plásticamente sin que disminuya su resistencia antes de alcanzar la rotura. Así, en el hormigón armado el acero es el encargado de proveer de ductilidad a los elementos. La capacidad dúctil de las secciones resistentes a momentos se basa en un adecuado confinamiento del hormigón (CELSA, 2003). El confinamiento del hormigón hace que éste aumente la resistencia a compresión considerada en el diseño, lo cual incrementa la reserva de resistencia del elemento (Barbat, Vielma, & Oller, 2011). Esto se debe a que cuando se aplica una carga sobre un elemento, por efecto Poisson éste se expande en sentido transversal. Cuando el elemento se confina, la armadura también se expande y como respuesta hace una fuerza de compresión sobre el hormigón, provocando ese aumento de resistencia.

En la Fig. 3 se muestran las curvas tensión-deformación del hormigón confinado y no confinado. En la curva de color amarillo puede observarse la fragilidad del hormigón una vez alcanzada su máxima resistencia. En la de rojo se advierte cómo el hormigón armado y confinado dispone de una mayor resistencia y de una mayor ductilidad en comparación con el hormigón no armado.

b) DUCTILIDAD EN EL DISEÑO SISMORRESISTENTE DE ESTRUCTURAS El rol principal del análisis dinámico estructural en el contexto de ingeniería sísmica, es el cálculo de una estructura frente a un movimiento telúrico. Se hace para verificar la seguridad de una estructura frente al sismo y para dimensionar elementos estructurales que funcionen correctamente. Las normativas y códigos que rigen el diseño sísmico de edificaciones buscan la protección de la vida humana, previniendo el colapso local o global de la estructura frente a un evento sísmico. Para eventos de mayor envergadura, se busca no producir daños ni limitaciones de uso asociadas, cuyos costes son mayores en comparación con el coste de la propia estructura. A fin de satisfacer los requisitos fundamentales expuestos se deben comprobar los siguientes estados límite (CEN, 2011): 1. Estados límite últimos 2. Estados de limitación de daños 3.Los estados límite últimos son los asociados con el colapso o con otras formas de rotura estructural que podrían poner en peligro la seguridad de las personas. Para este estado se debe comprobar que el sistema estructural tiene la resistencia y capacidad de disipación de energía. La resistencia y capacidad de disipación de energía a asignar a la estructura están relacionadas con el grado de aprovechamiento de su respuesta no lineal. Los estados de limitación de daños son aquellos asociados con la aparición de daños, a partir de los cuales ya no se cumplen los requisitos de servicio especificados. En estructuras importantes para la protección civil, se debe comprobar el sistema estructural para asegurar que posee la suficiente resistencia y rigidez a fin de mantener la función de los servicios vitales de las instalaciones ante un sismo asociado a un periodo de retorno apropiado. La mayoría de las normas sismorresistentes permiten la incursión de los elementos estructurales en el rango de respuesta plástica (estados límite últimos). Esto se debe a los altos

costos asociados a diseñar una estructura que mantenga un comportamiento elástico. Las grandes dimensiones que se requerirían harían inviable la realización del proyecto. Los edificios de importancia especial, aquellos cuya destrucción por el terremoto pueda interrumpir un servicio imprescindible o dar lugar a efectos catastróficos, se proyectan, con el fin de protegerlos, sin que se admitan daños sísmicos de sus componentes estructurales (CEN, 2011). Entonces, un buen proyecto debe tener como finalidad edificios cuyo comportamiento bajo la acción de cargas sísmicas sea dúctil, que alcancen niveles de daño que no pongan en peligro la vida de los usuarios y, en último término, que no colapsen después de un terremoto bajo el peso propio de la estructura. C) DUCTILIDAD EN ALGUNOS ELEMENTOS PRIMARIOS.

 Vigas. En un sistema estructural a porticado las vigas se encargan de transmitir las cargas de los forjados a los pilares y de arriostrar los extremos de los mismos para limitar el desplome de la estructura. La alta resistencia en estos elementos conduce a niveles bajos de ductilidad por lo que, en zonas sísmicas, deben ser diseñadas de manera cuidadosa.  Pilares. El dimensionamiento y detallado de los pilares según la normativa sismo resistente busca que la capacidad a flexión de los mismos sea superior a la demanda. También busca evitar la formación simultánea de rótulas plásticas en su parte superior y en su base, como ocurre en la Fig. 9, para impedir la formación de un mecanismo ante la acción de las fuerzas horizontales

ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DEL COMPORTAMIENTO POR DUCTILIDAD…

d)EN LA CONSTRUCCIÓN DE MUROS DE DUCTILIDAD LIMITADA

 definición del sistema Es un sistema estructural donde la resistencia ante cargas sísmicas y cargas de gravedad, en las dos direcciones, está dada por muros de concreto armado que no pueden desarrollar desplazamientos inelásticos importantes. Los muros son de espesores reducidos, se prescinde de extremos confinados y el refuerzo vertical se dispone en una solo hilera. Los sistemas de piso son losas macizas o aligeradas que cumplen la función de diafragma rígido. Conjuntos Estructurales de EMDL.  importancia El sistema de Muros de Ductilidad Limitada en la actualidad está siendo muy utilizado en el Perú, debido a la facilidad que la industrialización ha traído para este sistema, mediante el uso de encofrados metálicos estructurales y el uso de concreto premezclado, haciendo más ágil y económico el proceso constructivo de las obras. La importancia estructural de este sistema radica en el uso de muros de concreto, lo cual nos asegura que no se produzcan cambios bruscos de las propiedades resistentes y principalmente de las rigideces.  MUROS DE DUCTILIDAD LIMITADA (MDL) ENTREVISTA AL DR. GENNER VILLARREAL CASTRO . Desde el punto de vista Sismorresistente, ¿Cómo es el comportamiento de este sistema estructural y porqué es importante tener un nivel de calidad óptimo en la etapa de diseño y construcción de este tipo de edificaciones?  Este sistema no ha tenido un comportamiento óptimo en sismos de larga duración.  Este tipo de material trabaja dentro de un rango inelástico.  “De nada sirve tener una buena calidad de Construcción cuando el comportamiento Sismorresistente no es óptimo”.  Para este sistema se debe hacer un análisis Sismorresistente por desempeño para ver la performance de la estructura y ver su nivel de riesgo en el cual se encuentra con aquella cantidad de acero (varillas corrugadas y malla electrosoldada).

e) LA DUCTILIDAD EN ASFALTO es una medida de cuanto puede ser estirada una muestra antes de que se rompa en dos la longitud del hilo del material bituminoso, en el momento del corte se mide en centímetros y se denomina ductilidad de la muestra. La presencia o ausencia de ductilidad tiene usualmente, mayor importancia que el grado de ductilidad existente.  Cabe tener presente de que los asfaltos dúctiles tienen normalmente mejores propiedades aglomerantes mientras que los asfaltos con una ductilidad muy elevada son usualmente susceptibles a los cambios de temperatura y fácilmente deformables.

ALGUNAS DESVENTAJAS DESVENTAJAS DEL SISTEMA DE MUROS DE DUCTILIDAD LIMITADA. a) Debido a que todos los muros tienen una función estructural no es posible cambiar o quitar muros a criterio de los usuarios. b) Generalmente no hay estacionamientos en niveles inferiores, siendo estos casi siempre exteriores al edificio. Es importante señalar con claridad que este sistema de muros de concreto, permite obtener edificios con gran rigidez lateral y gran resistencia frente a acciones sísmicas. c) Para la construcción de este tipo de viviendas se necesita tener mano de obra calificada y un mayor control de obra. d) Problemas Térmicos, debido a la poca capacidad aislante del concreto, estas edificaciones son calurosas en verano y frías en invierno.

e) Construcciones No Remodelables, ya que todos los muros tienen una función estructural no es posible cambiar o quitar muros a criterio de los usuarios para rediseñar la distribución de ambientes o realizar cambios en las instalaciones.

5.CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES  Hallar mediante ensayos el grado de ductilidad de un material es necesario para poder diseñar todo nuestro sistema estructural, permitiendo una óptima construcción.

 En el diseño sismo resistente de edificios es necesario conocer previamente el valor de la ductilidad que éstos podrán llegar a alcanzar al ser sometidos a movimientos sísmicos fuertes.  Los valores de ductilidad de referencia están incluidos en las normas de diseño sismo resistente.  Su estimación también puede hacerse bajo criterio de expertos o de la observación de la respuesta que los edificios han tenido ante determinados terremotos

FORMULARIOS:

DISEÑO POR FLEXOCOMPRESION -Para muros esbeltos (H/L>=1)

-Muros de poca esbeltez (H/L