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ANALISIS DE LA RESISTENCIA SISMICA DE UNSISTEMA ESTRUCTURAL PREFABRICADO DE BAJO

PESO PARA LA CONSTRUCCION DE VIVIENDAS'

ANALYSIS OF THE SEISMIC RESISTANCE OF A LOW-WEIGHTPREFABRICATED STRUCTURAL SYSTEM FOR HOME BUILDING

Daniel Maurido Ruiz Valenda"Angela Maria Ochoa Sanchez'"

German Daniel Castillo CastilloAndres Leonardo Robles Romero

Resumen: cerca del 75% de las muertes atribuidas a terremotos enColombia fueron causadas por el colapso de edificaciones de gran peso.Debido a esto, es necesario estudiar nuevas altemativas tecnologicas desistemas estructurales para viviendas de un piso que sean capacesde soportar las fuerzas sismicas. Estos nuevos sistemas estructuralesdeben ser resistentes, durables, Hvianos y con costos no muy elevados.Una empresa colombiana desarroUo un sistema prefabricado conforma-do por paneles autoportantes (espuma y laminas colaborantes de acero),que se ha utilizado para elementos no estructurales. Sin embargo, elbajo peso de los paneles y la alta resistencia de las laminas de acero

' Fecha de recepcion: 17 de mt^ de 2007. Fecha de aceptacton para publicacion: 13dejuliode2007.Este articulo .\e derivci delproyecio de investigacion Evaluacion de la resistencia sismica de un sislemaestnictural prefabricado de bajo peso para la constnicci6n de \wicndas, financiado por la PontificiaUniversidad Javeriana.

" Ingeniero civil y magisler en Ingenieria civil. Universidad de los Andes. Colombia. Profesor asislen-te. Departamento de Ingenieria Civil. Pontificia Universidad Javeriana. Bogota. Colombia. Correoelectronico: [email protected]

'" Arquitecta. Univerxidaddel Valle. Colombia. Jefe comercial. Melecno de Colombia. Bogota. Colombia.Correo electrdnico: [email protected]

"" Ingeniero civil, Pontificia UniversidadJaveriuna. Colombia. Correo electrdnico: gcauillo^averiana.edu.co

'"" Ingeniero civil. Pontificia Universidad Javeriana, Colombia. Correo electronico: arobles^averiana.edu.co

Ing. Univ. Bogota (Colombian IJ (2): 169-192. julio-diciembre de 2007 l69

DANIH. MAL'RICIO RUIZ ET AL.

sugieren que el sistema pueda ser usado como sistema estructural decasas de un piso. Por esto se desarroUo un programa de investigacionen universidades colombianas, para evaluar la resistencia sismica delsistema prefabricado y la resistencia y la ductilidad del sistema y suscomponentes. Adicionalmente, se construyeron modelos tridimensiona-les por medio de elementos finitos de viviendas de un piso para estudiarlos esfuerzos y los desplazamientos generados por las cargas sismicasdel codigo colombiano de disefio y construccion sismorresistente ycomparar estos esfuerzos y fuerzas con las determinadas experimen-talmente. De acuerdo con los resultados, el sistema estructural tieneun excelente comportamiento, debido principalmente a su bajo peso yalta rigidez relativa.

Palabras clave: construcciones prefabricadas, construcciones antisis-micas, estructuras resistentes a los terremotos, estructuras ligeras.

Abstract: Near of the 75% of the attributed deaths to earthquakes inColombia, were caused by the collapse of heavy constructions. That'swhy it is necessary to study new technological alternatives in structuralsystems for houses of one story, that are able to support the seismicforces. These new structural systems must be resistant, durable, lightand with low costs. A Colombian enterprise has developed a prefabri-cated system conformed by self-supporting panels (foam and cowor-kers-laminae of steel) that has been used for non-structural elements.Nevertheless the low weight of the panels and the high resistance of itsthe coworkers-laminae of steel, have suggested that this system couldbe the structural system of one story houses. For the previous reasons,a research program was developed in Colombian universities to evalua-te the seismic behavior of the prefabricated system. The experimentalprogram included standard test for evaluate the strength and ductilityof the system and its components. Additionally, a three dimensionalfinite element model of one story house was developed to study thestresses and displacements caused by the seismic loads establishedin the Colombian code for earthquake design and construction. Thisstresses and forces were compared with the ones determined experi-mentally. In agreement with the results, the structural system wouldhave an excellent behavior to seismic loads due to his low weight andhigh resistance.

Key words: Construction prefabriquee, earthquakes and building,earthquake resistant structures, light weight structures.

1. ANTECEDENTES

La aparicion en el mercado colombiano de la empresa Metecno deColombia, en 1999, constituyo una alternativa con respecto a la in-novacion en sistemas constructivos prefabricados para la produccionen serie de unidades de vivienda de bajo peso y costo. El sistemaestructural esta basado en la disposicion de paneles en muros y cu-biertas, compuestos por laminas delgadas de acero con poliuretanoen su interior.

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A N A U S I S D E LA H E S I S T E N Q A SfSMlC^A DE [W SISTEMA ESTRIXTURAL PREFABRICADO DE BAJO PESO.. .

Desde su introduccion en el mercado colombiano, la empresa ha es-tado adelantando estudios para certificar estructuralmente el sistema yhacer las adecuaciones para un adecuado desempeno, teniendo comobase las Normas Colombianas de Diseno y Construccion Sismorresis-tente (AIS, 1998). Se han realizado diversos estudios experimentalespara caracterizar los paneles, que se han utilizado principalmente paracubiertas y fachadas [bodegas, galpones, construcciones industriales,talleres, hangares, aeropuertos, estaciones de servicio, oficinas, centroscomerciales, grandes almacenes, supermercados, escuelas, colegios,centros de salud, cuartos frigorificos, camaras de congelacion, entreotros), campamentos tipo petrolero, contenedores desarmables, cen-tros de salud, cuartos frios, camaras de atmosfera controlada. En laFigura 1 se presentan imagenes de aplicaciones actuales del sistemaen acabados, cerramientos y viviendas para atencion de emergencias.Figura 1. Ejemplos de aplicaciones del sistema prefabricado

Fuente: presentacion propia de los autores.

No obstante, el sistema no se ha utilizado en Colombia para la cons-truccion de viviendas de uno o dos pisos; por esto se pretende estudiarsu viabilidad como solucion estructural a viviendas para estratos so-cioeconomicos bajos en el pads.

2. DESCRIPCION DEL SISTEMA

El sistema emplea paneles tipo sandwich (poliuretano expandidodentro de lamina metalica), remates de acero y cubierta tambien enpaneles tipo sandwich. En las figuras 2 y 3 se detallan el panel de muroy el panel de cubierta, respectivamente (Metecno, 2005).

Ing. Univ. Bogota (Colombia). II12): 169-192. Jtilio-diciembrede 2007 171

DANIEL MAtlRiaO BUIZ ET AL.

Figura 2. Panel para muro (Monowall)


Figura 3. Panel para cubierta (Techmet)

Fuente: presentacibn propia de los autorea.

Es importante anotar que la espuma rigida de poliuretano es unaislante termico y acustico en todos los climas y condiciones atmosfe-ricas, lo cual permite que los paneles tengan una huena relacion entreel espesor y el aislamiento termico y acustico. Asimismo, es importantemencionar que estas caracteristicas de aislamiento se verificaron atraves de estudios tecnicos reportados en Metecno (2000).

Por otro lado, el concreto es utilizado unicamente en la etapa de ci-mentacion para fundir una placa con un espesor que oscila entre 10 y 15centimetros (cm) con refuerzo de malla electrosoldada, pero depende de losrequerimientos estructurales. Los remates de acero que sirven de transi-cion entre los paneles y la placa de cimentacion estan anclados mediantepemos de expansion a la losa de concreto que sirve de cimentacion (Figura4). Asimismo, la union entre los paneles y los remates se realiza mediantetomillos de 6 milimetros (mm) de diametro de aJta resistencia.Figura 4. Detalle del anclaje del panel a la placa de cimentacion

IJ*CION PWfIL

Fuente: preaentacion propia de los autores.

172 Jug Univ. Bogota (Colombia), II (2): 169-192. juUo'dicicmhre de 2007

ANAI.1SIS DE LA HESISTENCIA SiSMICA DF. UX SISTEMA E.STRIJOI,-RAL t'Ht:FAHKICJ\a f)(r BAJO PESO.. .

En la Figura 5 se presentan los detalles de la union entre los murosesquineros y los muros interiores, que se realiza mediante tomillos defijacion de %" de diametro.

Por otro lado, el peso de los paneles y de las placas de cubierta queconforman el sistema oscila entre 6 kg/m^ y 12 kg/m^. Si se comparanlos anteriores valores con el peso de un muro de mamposteria hueca(130 kg/m^, casi once veces mas pesado), es claro que el sistema demuros es muy liviano. Al considerar simultaneamente el bajo peso ylas caracteristicas constructivas del sistem.a, es de esperarse que edifi-caciones de un piso, construidas con los paneles, pueda presentar unbuen comportamiento sismico.Figura 5. Detalle de la union entre los muros


Sin embargo, para que un sistema constructivo cuyos materiales noesten contemplados en la Norma Sismorresistente (AIS, 1998) pueda serutilizado en Colombia debe ser sometido a la aprobacion por parte de laComision Asesora Permanente del Regimen de Construcciones Sismorre-sistentes. A este ente se le deben entregar, entre otros aspectos, toda lainformacion experimental y analitica que permita constatar que el sistemaes apropiado para zonas de amenaza sismica intermedia o alta.

Para realizar un aporte en este sentido, este docum^ento presentaun resumen de las diferentes pruebas que se han realizado sobre lospaneles en Laboratorios de Ingenieria Civil en la Pontificia UniversidadJaveriana y en la Universidad de los Andes. Asimismo, se presentan losresultados y la descripcion de los modelos numericos implementados atraves del metodo de los elementos finitos que demuestran la viabilidaddel sistema para viviendas sismorresistentes de un piso.

3, ENSAYOS DE LABORATORIO

Con el fin de evaluar el sistema estructural, se Uevo a cabo una carac-terizacion basada en ensayos mecanicos de resistencia (evaluacion detipo experimental), que incluyo pruebas de laboratorio sobre probetaspequefias y sobre los paneles. En la Tabla 1 se presentan los ensayos

Ing, Univ. Bogotd (Colombia). II (2): 169-192, julio-diciembre de 2007 173

DANIEL .MAURiaO RUIZ ET AL.

efectuados y las normas que se usaron para Uevar a cabo las pruebasjlcontec. 2005; ASTM, 1998). Los ensayos de la columna de la derechase realizaron en el Laboratorio de Resistencia de Materiales de la Pon-tificia Universidad Javeriana, y los de la izquierda en los laboratoriosdel Centro de Investigacion en Materiales y Obras Civiles (CIMOC), dela Universidad de los Andes, contratados por Metecno (2000).Tabla 1. Ensayos de caracterizacion del sistema de evaluado

Ensayo

DensidadCortante con poliuretanoCompresion perpendicularCompresion paralelaCorte en tomillos de fijacionResistencia al corte yextraccion en anclajes ZAMACCarga horizontalFlexion en MonowallFlexion en TechmetTraccion diagonalTension en platinas de acero

Norma

ASTM C271ASTM C273ASTM C365ASTM C364

ASTM E72ASTM E393ASTM E393ASTM E519NTC2

2000CIMOC

XXXXX

X

XXXXX

2004 a 2006Javeriana

XXXXX

X

XXX

Fuente: presentacion prcpia de los autores.

A continuacion se detallan los resultados de todos los ensayos efec-tuados en 2000 en el CIMOC y desde 2004 a 2006 en el laboratorio dela Pontificia Universidad Javeriana.

3.1 CORTANTE EN EL PANEL (POLIURETANO)

Este ensayo se elaboro con probetas de tamafio reducido. Se ensa-yaron probetas con anchos de 200 mm y longitudes de 400 y 650 mmy espesor de 50 mm. El esquema del ensayo, asi como la falla tipicapresentada se muestra en la Figura 6a. En esta prueba se tiene quegarantizar que se apliquen dos cargas puntuales y la falla ideal apareceen las inmediaciones de los apoyos de la probeta (Figura 6b).Figura 6a. Montaje del ensayo de corte en probetas

174 Ing. Univ. Bogota (Colombia). II f2j: 169-192. julio-diciembre de 2007

A N A U S I S D E lA ItESI!STB4CU StSMICA DC UN SISTEMA ESTKUCrUKAL PRBMBiaCADO D BAjO PESO..

Figura 6b. Ensayo de corte en probetas: falla por corte en el poliuretano


Por otra parte, en la Tabla 2 se muestra un resumen de los resultadosobtenidos en las pruebas efectuadas.Tabla 2. Resultados de resistencia al corte en el poliuretano

Probeta123456789

10

Esfuerzo cortante resistente delpoliuretano (kPa)

132,5160,0130,5147,8100,992.897,9

232,4239,6254,8


3.2 COMPRESION PERPENDICULAR

Este ensayo se Uevo a cabo con probetas de tamano reducido en formade cubos con aristas de 50 mm. La probeta se dispuso de manera quelas laminas de acero estuvieran en posicion horizontal y perpendicularcon respecto al sentido de aplicacion de la carga. El esquema del ensayose muestra en la Figura 7. En la misma figura se muestra el estado dealgunas probetas despues del ensayo.

La norma ASTM C365 exige la medicion continua de la carga de com-presion y la deformacion de la probeta, al igual que sus dimensionesiniciales. Tal como se estipula en la norma tecnica de referencia, el es-fuerzo de fluencia se calcLila con base en el esfuerzo correspondiente auna deformacion unitaria del 10%. Mediante el calculo de la pendiente dela recta secante desde el origen hasta el punto del 2% de la deformacionunitaria se obtiene el modulo de elasticidad a compresion. En la Tabla 3se muestra el resumen de los resultados.

Ing. Univ. Bogota (Colombia). II (2): J 69-192, julio-diciembre de 2007 175

DANIEL MAUWaO RUIZ ET AL.

Figura 7a. Montaje del ensayo de compresion perpendicular

1 ^ f W P ^ M

Figura 7b. Probeta aplastada en el ensayo de compresion perpendicular

Figura 7c, Comparacion del estado inicial de las probetas en el ensayo de compresionperpendicular y despues de las pruebas


Tabla 3. Resultados de resistencia a la compresion perpendicular a las laminas de acero

Probeta

1234567

Resistencia a la compresion paraUna deformacion de 10% (MPa)

44,937,230,111.311.514.610,9

Modulo de elasticidadcalculado para una

deformacion de 2% (MPa)239.0234,4183,5374,4277,1464,4407.4


176 Ing. Univ Bogota (Cohmhia). II (2i: 169-192. julio-Uiciembrc de 2007

AN'AUSIS DE lA REaSTENQA St^ MICA DE UN SiyrEMA ESTHltcnillAl. PREFABRICADO DE BAJO PESO...

3.3 COMPRESION PARALELA

En este ensayo se busca establecer el maximo esfuerzo de compre-sion que soporta un panel, de forma tal que se genere una falla porpandeo local o general. En la Figura 8 se puede aprecieir el esquemadel montaje y la falla tipica. El experimento consiste en aplicar unacarga distribuida de compresion sobre un especimen con espesor de 50mm, ancho de 200 mm y altura de 400 mm. Con la carga maxima a lacompresion que soporta cada probeta y el area transversal se obtiene elesfuerzo maximo resistente a la compresion en la direccion establecida.En la Tabla 4 se resumen los resultados obtenidos para cada una delas probetas ensayadas.Figura 8. Esquema del ensayo de compresion paralela en probetas


Tabla 4. Esfuerzo maximo de pandeo para las probetas ensayadas

Probeta123456

Esfuerzo cortante resistente delpoliuretano (kPa)

509,7305,8642,2389,4370,0360.9


3.4 TENSION EN PLATINAS DE ACERO

Teniendo en cuenta las especificaciones de la norma NTC 2, se reali-zaron pruebas de traccion sobre platinas extraidas de las laminas cola-borantes de acero. En la Figura 9 se muestran resultados de las pruebasefectuadas. Asimismo, en la Tabla 5 se resumen los valores de esfuerzode fluencia y resistente.

Ing. Univ. Bogota (Colombia). II (2): 169-192. julio-diciembre de 2007 177

DANIEL MALTUCIO ttlltZ ET AL.

Figura 9. Tension de lamina de acero

Fuente: presentacion propia de Io3 autores.

Tabla 5. Esfuerzo de fluencia y esfuerzo maximo del acero que compone las laminascolaborantes

Probeta123456789

Esfuerzo de fluencia (MPa)336,4316,0326,2316,0295.6356,8326.2305,8316,0

Esfuerzo maximo resistente(MPa)458,7428,1438,3417,9407,7458,7417,9387,4407,4

Fuente: presentacion propia de los autores

3.5 ANCLAJES Y ELEMENTOS DB CONEXION

Se efectuaron ensayos sobre los tomillos y los anclajes, asi como sobrelos modelos representativos de las conexiones entre elementos. En la Ta-bla 6 se muestran los valores promedio de la resistencia a la extracciony al corte de los anclajes que unen los paneles a la placa de cimentacionmediante tomillos tipo ZAMAC. En la Tabla 7 se muestran los resultadosdel esfuerzo cortante resistente de los pemos usados como conexion entrelos paneles y entre los paneles y los remates de acero.

Tabla 6. Resistencia ultima a la extraccion y al corte de anclajes tipo ZAMACProbeta

12345

Promedio (i

Resistencia ultima a la extraccion(N)

3.7503.8423.6503.7023,6153.712

Resistencia ultima a cortante(N)

6.8637.0316.6806.7756.6156.793

Fuente: presentacion propia de Ios autores

178 Ing. Univ. Bogota (Colombia), II (2): 169-192. julio-diciembre de 2007

ANAUSIS DE U BESISTENOA SlWICA DE UN SISTOHA ESTHllCTURAL ntETABRlCADO DE BAJO PESO...

Tabla 7. Resultados obtenidos en los ensayos de corte en los tomillos de conexi6n((j)=5,5 mm)

Probeta12345678

Zona de fallaRoscadaRoscadaRoscadaRoscadaRoscadaRoscadaRoscadaRoscada

Tipo de fallaDobleDobleDobleDobleDobieDobleDobleDoble

Esfuerzo maximo (MPa)536498522591601569590611


Asimismo, se realizo el ensayo que se bosqueja en la Figura 10a.Por medio de este montaje se evaluo directamente la resistencia deuna conexion (un solo pemo). Debido a la gran rigidez de los pemosde conexion, la falla se presento por desgarramiento. El promedio dela fuerza resistente de las pruebas efectuadas en el presente estudio(tres en total) fue de 339 kg-f. En todos los casos se genero una fallacomo la que se presenta en la Figura 10b.Figura 10a. Montaje del ensayo para evaluar las conexiones

ik liiAqiiciu Unrvmat


Figura 10b. Falla por desgarramiento del sistema

Fuente: presentacion propia de los autores,

Teniendo en cuenta Ios resultados anteriores, se ha recomendadoque en zonas de concentracion de esfuerzos (sobre todo en las esqui-Ing. Univ. Bogota (Colombia). II (2): 169-192. julio-diciemhre de 2007 179

DANIEL MAURiaO RUIZ iH' AL.

nas de los muros) se usen al menos dos tomillos que garanticen unadecuado funcionamiento del sistema y minimicen los problemas dedesgarramiento de los paneles.

3.6 FLEXION EN PANELES DE MURO MONOWALL

A traves de estas pruebas se establecio la resistencia de los panelesante cargas perpendiculares a su piano. Este ensayo se llevo a cabocon probetas de longitudes distintas (dos y tres metros) y con elemen-tos cargados simetricamente. El ancho de cada probeta fue de 92 cm(por limitaciones del marco de carga fue necesario cortar los panelesde 1 metro). Los ensayos de flexion se realizaron para un solo espesortipico de 50 mm.

En el ensayo se aplica una carga distribuida sobre la franja centralde la superflcie del panel a traves de un dispositivo en madera en for-ma de T, que transmite la carga producida por la maquina universala dos vigas de madera que a su vez la reparten en cuatro soportesubicados equidistantes sobre el panel. En la Figura 11 se puede ob-servar el montaje implementado para este ensayo, que corresponde auna adaptacion de la norma ASTM E 72. Durante la prueba se tomanlecturas de carga y desplazamiento hasta que el panel falla por flexionpara la carga maxima. Con esta ultima carga se determina el esfueriMmaximo resistente a flexion. Adicionalmente, con los datos registradosse obtiene el valor EI (E e I, el modulo elastico y la inercia equivalentesde la seccion transversal, respectivamente).Figura 11. Esquema del ensayo de flexion en paneles de muro Monowall

; presentacion propia de los autores.

El calculo del esfuerzo resistente se estimo usando la Ecuacion 1,tipicamente empleada en resistencia de materiales.

^Mc_ (1)

En esta ultima ecuacion o es el esfuerzo maximo que ocurre enmax ^

el punto de la seccion transversal mas alejado del eje neutro, Af es elmomento interno aplicado, c es la distancia perpendicular desde el ejeneutro hasta el punto mas alejado de este, e /es el momento de inerciade la seccion transversal.180 Ing. Univ. Bogota (Colombia). II (2): 169-192. julio-diciembre de 2007

ANAUSIS DG l A RESISHENOA StSMICA DE UN SISTEMA ESTKUCTURAL PRBKBRKADO DE BAJO PESO...

Con base en lo anterior en la Tabla 8 se presenta el resumen delos resultados encontrados en los ensayos para carga perpendicularal piano del muro. De la misma manera, en la Figura 12 se muestrauna imagen con la falla tipica de los paneles. Se puede observar que lafalla ocurre por un desprendimiento de la lamina superior, sometida acompresion por efecto de la flexion.Tabla 8. Resultados obtenidos en los experimentos de flexion sobre paneles

Probeta]23456789

10

Mu (N-m)3.6753.8153.7125.0344.0664.3384.1973.9784.9124.235

EI (N*m'^ )88.08270.62063.430

100.05283.02275.89671.92670.58851.81141.063

a max (MPa)117122119161130139134127157135

Fuente: presentacidn propia de los autores.

Figura 12. Mecanismo de falla de los paneles a flexion


3.7 TRACCI6N DIAGONAL

Este metodo de ensayo fue originalmente desarrollado para esta-blecer la resistencia al corte de la m^amposteria. Sin embargo, en elpresente caso fue usada para determinar el efecto del aplastamientoen las esquinas de los paneles. El ensayo consiste en aplicar carga endireccion de una de las diagonales del panel, tal como se observaen la Figura 13.

Para evaluar los resultados obtenidos en este ensayo se Uevo a cabouna simulacion numerica por el metodo de los elementos finitos en elprograma SAP 2000, teniendo en cuenta la carga maxima promedio quesoportaron los paneles, la cual se puede observar en la Tabla 9.Ing. Univ. Bogota (Colombia), JI (2i: 169-I92.julio'diciembrede 2007 181

DANIEL MAUmcio Kinz ET AL,

Figura 13. Esquema del ensayo de traccion diagonal


Tabla 9. Carga maxima aplicada en ios ensayos de traccion diagonalProbeta

1234

Carga maxima aplicada (N)10.52612.32111.91913.283

Fuente: presentacion propia de Ios autores.

En la Figura 14a se presenta el montaje simulado en el programaantes de ser ejecutado. En la Figura 14b se muestra la deformacion delpanel luego de ser sometido a la carga, similar a la observada luego de larealizacion del ensayo en el laboratorio presentada en la Figura 14c.Figura 14a. Modelo numerico Figura 14b. Esquema de Figura 14c. Estado del panelsin carga deformacion en el programa luego del ensayo experimental


De acuerdo con la simulacion numerica y con base en los resultadosde laboratorio, el esfuerzo de aplastamiento en las esquinas criticas fue de40 megapascales (MPa).

3.8 CARGA HORIZONTAL SOBRE PANELES QUE FUNCIONAN COMO MUROSSe ejecutaron ensayos ante una carga horizontal segiin la norma

ASTM E 72. Estas pruebas se efectuaron sobre paneles con espesor

182 Ing. Univ. Bogota (Colombia). JI (2): 169-192. julio-diciembre tie 2007

A N A U S I S D E LA EIESISTENCIA SfSMlCA I3E tIN SISTEMA ESTRDCtURAL PREFAHHICADCl DF. BAjO PESO.. .

de 50 mm y permitieron establecer la resistencia de la fijacion delos paneles y la resistencia del mismo panel ante la aplicacion de cargasparalelas al piano de Ios muros. En total, se realizaron tres ensayos sobremuros individuales de 1 m de ancho cada uno y tres ensayos sobre muroscompuestos por tres paneles (3 m de ancho). Todos los muros tenianuna altura de 2 m. El montaje del ensayo, asi como la instrumentacionimplementada se muestra en el esquema de la Figura 15. De la mismamanera, en la Tabla 10 se resumen los valores obtenidos para cadatipo de muro ensayado. En esta tabla se sefiala el numero de panelesdel muro, la maxima carga y la falla tipica presentada.Figura 15. Esquema del montaje de carga horizontal en muros de tres paneles

Fuente: Metecno (2000).

Tabla 10. Resumen de los principales resultados del ensayo de carga paralela al pianodel muro

Probeta

1

2

3

4

5

6

Numerode paneles

quecomponen

e! muro1

1

1

3

3

3

Anchodel muro

(mm)

1.000

1.000

1.000

3.000

3.000

3.000

Espesordel muro

(mm)

50

50

50

50

50

50

Cargamaximaaplicada

INl

1.834

2.894

4.738

12.076

12.106

11.360

Tipo de falla

Falla por desgarramientode la lamina colaboranteFalla por desprendimientode los anclajesFalla por desgarramientode la lamina colaboranteFalla por desprendimientode los anclajesFaUa por desprendimientode los anclajesFalla por desprendimientode los anclajes


Para efectos del presente estudio y con el fin de establecer las curvasde capacidad, asi como los valores de ductilidad al desplazamiento y elfactor de reduccion de la fuerza sismica R, se usara la respuesta paramuros de 3 m de ancho. En la Figura 16 se muestra la respuesta encuanto a fuerza y desplazamiento de uno de dichos ensayos. Tambien

Ing. Univ. Bogota (Colombia). U (2): 169-192. julio-diciembre de 2007 183

DAtflEL MALlRICro RVIZ ET AL.

las curvas bilineales que mejor se acomodan a la respuesta del ensayoexperimental con sus respectivos valores equivalentes de fuerza resis-tente, desplazamiento de fluencia y desplazamiento maximo asumidopara una deriva del 1% (limite establecido por la NSR 98).Figura 16. Curva de fuerza contra el desplazamiento para un muro de tres paneles concarga horizontal paraJela al piano del muro

12CK)

1000

8 0 0 '

6 0 0 '

i

1 1

1

V1

11

\

26 32

D a m mpniiiiiiiuliiDxplnwnlinlD mtelnw d*l mura (mm)

c u m M timji]muin UBnM poUnWnM (tMn


Con base en la anterior inforraacion es posible estimar el factor Rasociado con la capacidad de disipacion de energia del sistema. Segun eldocumento Structural Response Modification Factors (ATC-19, 1995), esnecesario tener en cuenta tres factores para poder estimar el valor de R:R = RsR;R. (2)Donde:Rg! factor de sobrerresistencia.R,: factor de amortiguamiento.R factor de ductilidad.

El factor de sobrerresistencia R^ se fija en 1, pues se tiene en cuentaque se utilizara un modelo bilineal. Por su parte, el factor de amortigua-miento R, se fijo de acuerdo con la Tabla 11. Para el presente caso seasume un valor de R, igual a 1, debido a que el amortiguamiento parael espectro de diseno de la NSR-98 es del 5% con respecto al critico.Tabla 11. Factor de amortiguaniiento R,

Coeficiente de amortiguamientocon respecto al critico (%)

25

101520

0.801,001,191,391,50

fuente: presentacion propia de los autores.

Ing. Univ. Bogotd fColombiaj. 11 (2): 169-I92jttti0'didembivtie2007

A N A U S I S D E U R E S I S T E N C I A SlsMlCA DF. UN' SLSTEMA ESTRIICIUHAL PREhAHHICAlXJ DE BAJO PESO. . .

Por ultimo, el factor de ductilidad R[i esta asociado con la relacionexistente entre el desplazamiento de fluencia y el desplazamiento maxi-mo admisible o desplazamiento ultimo. De esta manera, la ductilidad aldesplazamiento esta dada por la relacion que expresa la Ecuacion 3.

(3)

Donde:\i : desplazamiento maximo permisible (de acuerdo con los limites es-

tablecidos en los codigos de diseno).(i : desplazamiento maximo elastico (limite de proporcionalidad elastico

de la curva fuerza contra desplazamiento).Con base en lo anterior, se pueden establecer relaciones para estimar

el factor de ductilidad Rp (para sistemas elastoplasticos de un gradode libertad) en funcion del periodo estructural. Segun ATC-19 (1995) yGarcia (1998), los limites para R|i son los siguientes: Para frecuencias supedores a 33 Hz (periodos inferiores a 0,03

segundos)RH=1.0 (4a)

Para frecuencias entre 2 Hz y 8 Hz (periodos entre 0,12 segundosy 0,5 segundos)R^= N/2M^ (4b)

Para frecuencias menores a 1 Hz (periodos mayores a 1 segundos)RH=2jx (4c)

Las anteriores expresiones se muestran de manera resumida en laFigura 17, basadas en una ductilidad al desplazamiento de 2,1 obtenidade los ensayos experimentales. Teniendo en cuenta que el periodo devibracion esta en el orden de 0,02 segundos (vease el apartado donde se

Figura 17. Variacion del factor R en funcion del periodo

0.0 0.1 02 0.3 0.4 0.S 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1,1 1.2 1,3 1.4 1.5Periodo |s|


Ing. Univ. Bogota (Colombia). !l (2): 169-192. juUo-diciembredeKiO? 185

expUca el modelo numerico), el valor de R que se va a usar en el disefiosera de 1. Sin embargo, es importante mencionar que este coeficiente dereduccion de la fuerza sismica varia entre 1, para edificaciones de un piso,y 1,8, para edificaciones de mayor altura.

4 . MODELACION NUMERICA DEL COMPORTAMIENTODE UNA VIVIENDA TIPO

En Mexico y en Colombia, la empresa que fabrica el sistema estruc-tural diseno los espacios para una vivienda de interes social de 36 m^(Figura 18).Figura 18. Imagenes de la vivienda y piano arquitectonico propuesto

Fuente: presentacion propia de ios autores.

Para poder estudiar el efecto de las diferentes cargas estipuladas en elCodigo Colombiano de Construcciones Sismorresistentes se construyo unmodelo por el metodo de los elementos finitos en el programa SAP 2000(CSI, 2000), con el cual se simulo la estructura compuesta por panelesde muro tipo Monowall 1000/B de espesor 50 mm y de cubierta tipoTechmet con espesor de 40 mm de la empresa Metecno de Colombia.

Las asignaciones de materiales, secciones y demas elementos quecomponen los muros se hicieron de acuerdo con las propiedades encon-tradas en los ensayos de laboratorio efectuados sobre los materiales. Parael modelo numerico se definieron principalmente dos materiales: aceroy poliuretano. Se usaron elementos tipo cascaron [Shellj para modelarcada una de las dos laminas de acero que componen los paneles, asi comolos respectivos remates de los muros en forma de U que se usan en lasconexiones.

Por su parte, se usaron elementos solidos (tipo Solid) para la simu-lacion del poliuretano en los paneles tipo Monowall. Todos los murosutilizados en el modelo fueron soportados por apoyos de segundo gradoen los que se restringen los desplazamientos en sentido vertical y ho-rizontal. De esta manera se logro simular el efecto de los anclajes decimentacion tipo ZAMAC. En la Figura 19 se pueden observar diferentesdetalles del modelo.

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D E lA HtSISTENCtA :i(SM!C:A DE UN SISTtMA ESTHUaHRAL PREFAfiRICADO DE BAJO PESO.

Figura 19. Im^enes de la geometria del modelo estructural analizado


Se analizaron coniiguraciones de la malla mas refinadas en las esqui-nas y en las inmediaciones de los agujeros de puertas y ventanas. Debeanotarse que para simular un diafragma Hgido que lograra repartir lasfuerzas sismicas a los muros y para que sirviera de apoyo a la cubiertaa traves de una cercha metalica se usaron angulos de acero de 25 mmde lado y 3,2 mm de espesor. La evaluacion de las cargas se hizo acordecon la reglamentacion colombiana en este aspecto (NSR-98).

La modelacion sismica de la vivienda se Uevo a cabo mediante unanalisis dinamico modal elastico espectral. Las combinaciones de cargausadas corresponden a las establecidas en la norma NSR-98 para es-tructuras de acero (material predominante en el sistema bajo estudio).En la Tabla 12 se presentan las combinaciones que generaron un mayorefecto en los elementos de la vivienda estudiada.Tabla 12. Combinaciones de carga adaptadas para el analisis

NombreCOMBlCOMB2COMB3

Combinacionl,2D+1.6Lr+0,8Wl,2D+l,6W+0,8Lrl,2D+l,0E


En la tabla, D corresponde a la carga muerta; Lr, a la carga vivasobre la cubierta; W, a la carga de viento, y E, a la fuerza sismica. Conrespecto a este ultimo parametro debe anotarse que para considerar lavariabilidad espacial del movimiento del terreno, en la tercera combi-nacion (C0MB3) se aplico simultaneamente la totalidad del efecto delsismo en direccion X en conjunto con el 30% el sismo en direccion Y;asimismo, se aplico la totalidad del efecto del sismo en direccion Y enconjunto con el 30% del sismo en direccion X.

Para considerar condiciones criticas se estudio una edificacion ubi-cada en una zona de amenaza sismica alta. Para ello se us6 una acele-racion del terreno de 0,3 Gal. De acuerdo con lo anterior en la Figura20 se presenta el espectro elastico de diseno en aceleracion usado parael ansJisis sismico.

Ing. Univ. Bogota (Colombia). II (2): l69-l92.julio-diciembrede2007 187

DANIEL MAUHiaO RUIZ ET AL.

Figura 20. Espectro de diseno utilizado en el analisis

0.8

0.7

0.6

0.S

QA

0.1

VV\'^

0.5 1 1.5Periodo (s)

2,5


Por otro lado, para la carga muerta se tuvo en cuenta unicamente elpeso propio de la estructura. Para la carga viva de cubierta se uso un valorde 0,5 kN/m^. Finalmente, para la carga de viento se utilizo una presionsobre los muros de 0,64 kN/m^, una presion de cubierta en barloventodeO,42 kN/m-yensotaventodeO,3kN/m^. Estos valores correspondena las presiones de viento consistentes con la zona del Pacifico.

Con el modelo implementado y revisado se establecieron los resul-tados que se describen a continuacion. En la Figura 21 se muestrala forma del modo de vibracion en que participa la mayor cantldadde masa el cual tiene asociado un periodo de 0,013 segundos. Esteperiodo es bastante bajo debido principalmente al peso reducido delsistema estructural.Figura 21. Modo de vibracion de la edificacion en el que participa la mayor cantidadde masa


No obstante, debe mencionarse que existen modos de vibracion su-periores e inferiores donde incide mucho menos masa y correspondena movimientos de muros individuales. Por esta razon, la opcion del

188 Ing. Univ. Bogota (Colombia). Jl (2j: 169-192. juiio-diciembre de 2007

OE LA KESISTFNOA Sf.SMICA t)E IIS SISTEMA ESTHlKrlTRAL ?KKKA[iRlCArK3 DE BAJO PESO.. .

analisis modal espectral fue adecuada. Para ello se analizaron 50 modosde vibracion (eigenvalues) que aseguraron una participacion de mas del90% de la masa del sistema, tal como se especifica en la NSR 98.

Para estimar los esfuerzos actuantes en los elementos tipo casca-ron (SI 1 axial, S22 axial y S12 cortante) se deben tener en cuenta lasconvenciones de signo presentadas en la Figura 22. Cada uno de estosesfuerzos es calculado mediante la teoria de los elementos finitos yconceptos basicos de resistencia de materiales.

Figura 22. Convenciones de signo

VC) S22 ZC2) S22I .

S22

f S11 S12ZC3J

Fiiente: presentacion propia de los autores.

VC3)

A manera de ejemplo, en la Figura 23 se muestran los resultadosarrojados por el modelo numerico para esfuerzos Sl l cuando se leaplica a la vivienda la totalidad de la carga sismica en direccion del ejeXy el 30% de ella en direccion del eje Y.Figura 23. Esfuerzos (kg/cm^) asociados con los elementos tipo Shell para la cargasismica 100X30Y

m, I

JtJk 1

tfw

1 11


Para poder analizar los esfuerzos criticos encontrados en cada unode los muros, en la Tabla 13 se presenta un resumen de los esfuerzosmaximos y minimos, asi como los esfuerzos cortantes respectivos parala combinacion de carga sismica. Para resumir el analisis, los murosfueron asociados con los diferentes ejes de la vivienda bajo estudio, yse dividieron en ejes numericos y ejes alfabeticos.

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DANIEL MAUftlCIO RUIZ ET AL,

Tabla 13. Esfuerzos maximos, minimos y cortantes para la combinacion sismica(C0MB3)

C0MB3

Muros

ABCDEF1234567

a

kPa2.6212.0492.7013.5681.9575.3112.2434.2613.0381.4271.6513.7005-912

-5.923-8,593-9,011-6.667-2,834-5.331-2.987

-11,580-4.241-2.487-2.834-4,281-8-063

2.2123,1603,1292.8641.2742.8441.9885.9731.5901.0501.2541.7023-231


Finalmente, en la Tabla 14 se comparan los resultados derivadosdel modelo numerico por elementos finitos (esfuerzos actuantes antela aplicacion de las combinaciones de carga) con los esfuerzos re-sistentes obtenidos a traves de las multiples pruebas de laboratoriopresentadas.Tabla 14. Comparacion de los esfuerzos actuantes contrarresistentes

Tipo de solicitacion

Cortante en el poliuretanoCompresion en el poliuretanoApiastamiento en lasesquinasFlexion de los paneles tipoMonowall

Fluencia en laminas de acero

Corte en anclajes

Extraccion de anclajes

Ensayo(esfuerzos resistentes}

159 kPa22.9 MPa

40,0 MPa

134 MPa

325 MPa

6793 N

3712 N

Modelo(esfuerzos actuantes)

71 kPa119 kPa35,6 MPa (C0MB2) v11.7 MPa {C0MB3112 MPa(C0MB2)y3.02 MPa (C0MB3)29,3 MPa IC0MB2) v5,9 MPa (COMB3)760 N (C0MB2)V 232 N (C0MB3)1779 N (C0MB2)y1023 N (COMB3)


Se observa que en ninguno de los casos los esfuerzos actuantes exce-den los resistentes. De la misma manera, y a diferencia de otros sistemasestructurales ubicados en zonas de amenaza sismica intermedia y altapor ejemplo la mamposteria, los mayores esfuerzos estan asociadoscon la combinacion de carga que involucra la carga de viento, mientrasque los esfuerzos generados por la aplicacion de la carga sismica soninferiores. Lo anterior se debe al bajo peso de la estructura.190 lug. Univ. Bogota (ColomhiaJ. II (2j: 169-192. julio-didemhv de 2007

ANA!,ISI.S [>E l ^ RESTSTENCiA SlSMlCA DE UN SIS1>1MA aSTHUCn'RAL PREfArtHltLMXJ I)H ilAJO PFXJ . . .

Asimismo y teniendo en cuenta los ensayos experimentales llevadosa cabo sobre paneles con carga paralela al piano del muro, en pro-medio cada metro lineal de panel es capaz de resistir como minimo2.400 N con adecuadas conexiones. Teniendo en cuenta este valor yconsiderando que en cada direccion principal de la vivienda hay 17 mde muro, el sistema estructural basado en paneles podria resistir uncortante en la base cercano de 41 kN. Este valor es suficientementealto al compararlo con el peso total de la edificacion que si se elaboraenteramente en paneles de acero y poliuretano de alta densidad nosuperaria los 17 kN.

5. CONCLUSIONES

La caracterizacion mecanica de los materiales que componen el sis-tema, asi como el estudio experimental detallado realizado sobre loselementos principales [muros y placas) es fundamental para el estudiodel sistema estructural. Esta caracterizacion experimental en con-junto con modelaciones numericas permitio establecer la viabilidaddel sistema como solucion para edificaciones sismorresistentes.

En el diseno particular de viviendas construidas con paneles de laempresa Metecno de Colombia es necesario darles mayor impor-tancia a las fuerzas producidas por el viento en zonas donde lascorrientes de aire sean intensas, debido a que pueden llegar a in-ducir mayores esfuerzos que los originados por las cargas sismicas,tal como sucedio en el caso particular de este estudio.

En general, y realizando el analisis desde el punto de vista de lasismorresistencia (solo teniendo en cuenta las fuerzas sismicas ylos paneles), el sistema de Metecno resulta tecnicamente viable ala luz de las normas sismorresistentes especiiicadas. Esto se debeprimordialmente a que el sistema es muy liviano, lo cual lleva a quelas fuerzas sismicas no sean tan altas como las que pueden afectara otros sistemas estructurales. No obstante, se deben mejorar lasconexiones entre los paneles y entre los paneles y los perfiles de unioncon la cimentacion mediante el uso de dos pemos por metro lineal.

AGRADECIMIENTOS

Los autores desean agradecer a la Vicerrectoria Academica de laPontificia Universidad Javeriana por la financiacion del proyecto deinvestigacion. Asimismo, desean agradecer el continuo apoyo de laempresa Metecno de Colombia, que suministro la informacion y lospaneles y brindo la asesoria necesaria para ejecutar el proyecto.

REFERENCIAS

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Documents

analisis de resistencia sismica.pdf