Un muro de corte de placas de acero ( SPSW ) consta de placas de relleno de acero delimitadas por elementos de contorno.
Constituyen un SPSW. [1] Su comportamiento es análogo a una viga de placa vertical en voladizo desde su base. Similar a las vigas de placa, el sistema SPW optimiza el rendimiento de los componentes aprovechando el comportamiento posterior al pandeo de los paneles de relleno de acero. Un marco SPW puede idealizarse como una viga de placa vertical en voladizo , en la que las placas de acero actúan como el alma, las columnas actúan como las alas y las vigas transversales representan los rigidizadores transversales. La teoría que rige el diseño de placas no debe usarse en el diseño de estructuras SPW ya que la resistencia a la flexión y la rigidez relativamente altas de las vigas y columnas tienen un efecto significativo en el comportamiento posterior al pandeo.
El diseño de capacidad de las estructuras consiste en controlar las fallas en un edificio mediante la preselección de fusibles dúctiles localizados (o eslabones débiles) para que actúen como la ubicación principal para la disipación de energía cuando un edificio está sujeto a una carga extrema. La estructura está diseñada de tal manera que toda la acción inelástica (o daño) ocurre en estas ubicaciones críticas (los fusibles), que están diseñados para comportarse de manera dúctil y estable. Por el contrario, todos los demás elementos estructurales están protegidos contra fallas o colapsos al limitar la transferencia de carga a estos elementos a la capacidad de rendimiento de los fusibles. En los SPSW, las placas de relleno están destinadas a servir como elementos fusibles. Cuando se dañan durante un evento de carga extrema, se pueden reemplazar a un costo razonable y restaurar la integridad total del edificio . En general, los SPW se clasifican en función de su rendimiento, la selección de sistemas estructurales y de soporte de carga y la presencia de perforaciones o refuerzos (Tabla 1).
Se ha realizado una cantidad significativa de investigaciones valiosas sobre el comportamiento estático y dinámico de los SPSW. Se han llevado a cabo muchas investigaciones no solo para ayudar a determinar el comportamiento, la respuesta y el rendimiento de los SPW bajo cargas cíclicas y dinámicas, sino también como un medio para ayudar a avanzar en las metodologías de análisis y diseño para la comunidad de ingeniería.
El trabajo pionero de Kulak y sus coinvestigadores de la Universidad de Alberta en Canadá condujo a un método simplificado para analizar una SPSW delgada y no reforzada: el modelo de tira. [2] Este modelo está incorporado en el Capítulo 20 de la Norma Canadiense de Diseño de Acero más reciente [3] (CAN/CSA S16-01) [4] y las disposiciones del Programa Nacional de Reducción de Riesgos Sísmicos (NEHRP) en los EE. UU.
Tabla 1. Categorización de las paredes de placas de acero en función de las características de rendimiento y expectativas [1]
En las últimas dos décadas, el muro de corte de placas de acero (SPSW), también conocido como muro de placas de acero (SPW), se ha utilizado en varios edificios de Japón y Norteamérica como parte del sistema de resistencia a las fuerzas laterales . En épocas anteriores, los SPSW se trataban como vigas de placas orientadas verticalmente y los procedimientos de diseño tendían a ser muy conservadores. El pandeo del alma se evitaba mediante un refuerzo extensivo o seleccionando una placa de alma de espesor adecuado, hasta que se dispuso de más información sobre las características posteriores al pandeo de las placas de alma. Aunque la teoría de las vigas de placas parece apropiada para el diseño de una estructura SPW, una diferencia muy importante es la resistencia a la flexión y la rigidez relativamente altas de las vigas y columnas que forman los elementos de contorno del muro. Se espera que estos elementos tengan un efecto significativo en el comportamiento general de un edificio que incorpore este tipo de sistema y varios investigadores se han centrado en este aspecto de los SPW. Las cualidades de disipación de energía de la placa de alma bajo cargas cíclicas extremas han planteado la posibilidad de utilizar los SPSW como una alternativa prometedora a los sistemas convencionales en regiones de alto riesgo sísmico. Un beneficio adicional es que el campo de tensión diagonal de la placa del alma actúa como un refuerzo diagonal en un marco arriostrado y, por lo tanto, completa la acción de la armadura, lo que se sabe que es un medio eficiente para controlar la deriva del viento.
Desde el punto de vista del diseñador, los muros de chapa de acero se han convertido en una alternativa muy atractiva a otros sistemas de acero, o para sustituir núcleos de ascensores y muros de corte de hormigón armado. En estudios comparativos se ha demostrado que los costes generales de un edificio se pueden reducir significativamente si se consideran las siguientes ventajas: [5]
En comparación con los sistemas de arriostramiento convencionales, los paneles de acero tienen la ventaja de ser un sistema redundante y continuo que exhibe un comportamiento relativamente estable y dúctil bajo cargas cíclicas severas (Tromposch y Kulak, 1987). Este beneficio, junto con la alta rigidez de las placas que actúan como arriostramientos de tensión para mantener la estabilidad, califica firmemente al SPW como un sistema ideal de disipación de energía en regiones de alto riesgo sísmico, al tiempo que proporciona un sistema eficiente para reducir la deriva lateral. Por lo tanto, algunas de las ventajas de utilizar SPW en comparación con los sistemas de arriostramiento convencionales son las siguientes:
Un elemento de corte de placa de acero consiste en placas de relleno de acero limitadas por un sistema de columna-viga. Cuando estas placas de relleno ocupan cada nivel dentro de un tramo enmarcado de una estructura, constituyen un SPW. Su comportamiento es análogo a una viga de placa vertical en voladizo desde su base. De manera similar a las vigas de placa, el sistema SPW optimiza el rendimiento del componente aprovechando el comportamiento posterior al pandeo de los paneles de relleno de acero. Un marco SPW se puede idealizar como una viga de placa en voladizo vertical, en la que las placas de acero actúan como el alma, las columnas actúan como las alas y las vigas transversales1 representan los rigidizadores transversales. La teoría que rige el diseño de vigas de placa para edificios propuesta por Basler en 1960, [6] [7] no debe usarse en el diseño de estructuras SPW ya que se espera que la resistencia a la flexión y la rigidez relativamente altas de las vigas y columnas tengan un efecto significativo en el comportamiento posterior al pandeo. Sin embargo, la teoría de Basler podría utilizarse como base para derivar un modelo analítico para los sistemas SPW.
Los diseñadores que fueron pioneros en el uso de los SPW no tenían mucha experiencia ni datos existentes en los que basarse. Por lo general, el diseño de las placas de alma no tenía en cuenta el comportamiento posterior al pandeo bajo esfuerzo cortante, ignorando así la ventaja del campo de tensión y sus beneficios adicionales para el control de la deriva y la resistencia al esfuerzo cortante. Además, no se había aprovechado la capacidad de deformación inelástica de este sistema altamente redundante, ignorando también la importante capacidad de disipación de energía que es de gran importancia para los edificios en zonas de alto riesgo sísmico. Uno de los primeros investigadores en investigar más de cerca el comportamiento de los SPW fue Kulak, de la Universidad de Alberta . Desde principios de la década de 1980, su equipo realizó investigaciones tanto analíticas como experimentales centradas en el desarrollo de procedimientos de diseño adecuados para la redacción de normas de diseño (Driver et al., 1997, Thorburn et al., 1983, Timler y Kulak, 1983, y Tromposch y Kulak, 1987). [8] Una investigación reciente realizada en Estados Unidos por Astaneh (2001) respalda la afirmación de la academia canadiense de que el comportamiento post pandeo de una placa no rigidizada actúa como un sistema capaz de resistir el corte.
Existen dos técnicas de modelado diferentes:
El modelo de tiras representa los paneles de corte como una serie de elementos de tiras inclinadas, capaces de transmitir únicamente fuerzas de tensión y orientados en la misma dirección que las tensiones de tensión principales promedio en el panel. Al reemplazar un panel de placa con puntales, la estructura de acero resultante se puede analizar utilizando el software de análisis informático comercial actualmente disponible. La investigación realizada en la Universidad de Columbia Británica por Rezai et al. (1999) mostró que el modelo de tiras es significativamente incompatible e impreciso para una amplia gama de disposiciones de SPW.
El modelo de banda se limita principalmente a SPSW con placas delgadas (baja capacidad crítica de pandeo) y ciertas relaciones. [9] En el desarrollo de este modelo, no se ha proporcionado ninguna solución para un SPSW perforado, muros de corte con placas de acero gruesas y muros de corte con refuerzos. El concepto de modelo de banda, aunque apropiado para el análisis práctico de placas delgadas, no es directamente aplicable a otros tipos de placas. Además, sus implementaciones aún deben incorporarse en el software de análisis informático comercial de uso común.
Para superar esta limitación, se desarrolló un método general para el análisis y diseño de muros de contención de hormigón armado en diferentes configuraciones, incluyendo muros con o sin aberturas, con placas delgadas o gruesas, y con o sin refuerzos. [10] Este método considera el comportamiento de la placa de acero y el marco por separado, y tiene en cuenta la interacción de estos dos elementos, lo que conduce a un diseño de ingeniería más racional de un sistema de muro de contención de hormigón armado. Sin embargo, este modelo tiene serias deficiencias cuando se necesita tener en cuenta adecuadamente el comportamiento de flexión de un muro de contención de hormigón armado, como en el caso de un edificio alto y esbelto.
El modelo de interacción placa-marco modificado (M-PFI) se basa en un modelo de corte existente presentado originalmente por Roberts y Sabouri-Ghomi (1992). Sabouri-Ghomi, Ventura y Kharrazi (2005) refinaron aún más el modelo y lo llamaron modelo de interacción placa-marco (PFI). En este documento, el modelo analítico PFI se mejora aún más "modificando" el diagrama de carga-desplazamiento para incluir el efecto de los momentos de vuelco en la respuesta SPW, de ahí el nombre dado al modelo M-PFI. [11] [12] [13] El método también aborda las interacciones de flexión y corte de la capacidad última plástica de los paneles de acero, así como las interacciones de flexión y corte de la resistencia máxima a la fluencia para cada componente individual, es decir, la placa de acero y el marco circundante.
Saeed Tabatabaei y Roberts (1991 y 1992), Roberts y Sabouri-Ghomi (1991 y 1992), y Berman y Bruneau (2005)