Muro de corte de placa de acero - Steel plate shear wall

Una pared de corte de chapa de acero acoplada.

Un muro de corte de placa de acero ( SPSW ) consta de placas de relleno de acero delimitadas por elementos de contorno.

Visión general

Constituyen un SPSW. Su comportamiento es análogo al de una viga de placa vertical en voladizo desde su base. Al igual que las vigas de placa, el sistema SPW optimiza el rendimiento de los componentes aprovechando el comportamiento de los paneles de relleno de acero después del pandeo . Un marco de SPW puede ser idealizada como una línea vertical en voladizo placa de viga , en la que las placas de acero actúan como la web, las columnas actúan como las bridas y las vigas transversales representan los rigidizadores transversales. La teoría que rige el diseño de placas no debe utilizarse 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 es: controlar la falla 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 cargas extremas. La estructura está diseñada de tal manera que toda acción inelástica (o daño) ocurre en estos lugares críticos (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 colapso limitando 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 completa del edificio . En general, los SPW se clasifican en función de su rendimiento, la selección de sistemas estructurales y de carga y la presencia de perforaciones o refuerzos (Tabla 1).

Se ha realizado una cantidad significativa de investigación valiosa sobre el comportamiento estático y dinámico de los SPSW. Se han realizado 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 ingenieros.

El trabajo pionero de Kulak y los co-investigadores de la Universidad de Alberta en Canadá condujo a un método simplificado para analizar un SPSW delgado sin endurecer: el modelo de tira. Este modelo está incorporado en el Capítulo 20 de la Norma Canadiense de Diseño de Acero más reciente (CAN / CSA S16-01) y las disposiciones del Programa Nacional de Reducción de Riesgos de Terremotos (NEHRP) en los EE. UU.

Tabla 1. Categorización de las paredes de placas de acero en función de las características de rendimiento y las expectativas

Historia

En las últimas dos décadas, el muro de corte de placa de acero (SPSW), también conocido como muro de placa de acero (SPW), se ha utilizado en varios edificios en Japón y América del Norte como parte del sistema de resistencia a la fuerza lateral . En días anteriores, los SPSW se trataban como vigas de placas orientadas verticalmente y los procedimientos de diseño tendían a ser muy conservadores. Se evitó el pandeo de la banda mediante un refuerzo extenso o mediante la selección de una placa de banda de grosor adecuado, hasta que se dispuso de más información sobre las características posteriores al pandeo de las placas de banda. Aunque la teoría de la viga de placa parece apropiada para el diseño de una estructura SPW, una diferencia muy importante es la resistencia a la flexión relativamente alta y la rigidez de las vigas y columnas que forman los elementos de contorno del muro. Se espera que estos miembros tengan un efecto significativo en el comportamiento general de un edificio que incorpora 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 red bajo cargas cíclicas extremas han planteado la posibilidad de utilizar SPSW como una alternativa prometedora a los sistemas convencionales en regiones sísmicas de alto riesgo. Un beneficio adicional es que el campo de tensión diagonal de la placa de alma actúa como una riostra diagonal en un marco arriostrado y así completa la acción del truss, que se sabe que es un medio eficiente para controlar la deriva del viento.

Ventajas

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 reemplazar los núcleos de ascensores de hormigón armado y los muros de corte. En estudios comparativos se ha demostrado que los costes globales de un edificio se pueden reducir significativamente si se consideran las siguientes ventajas:

• Un sistema SPW, cuando se diseña y detalla adecuadamente, tiene una capacidad de disipación de energía relativamente grande con un comportamiento histerético estable, por lo que resulta muy atractivo para zonas de alto riesgo sísmico.
• Debido a que el campo de tensión de la banda actúa de manera muy similar a una riostra diagonal, un sistema SPW tiene una rigidez inicial relativamente alta y, por lo tanto, es muy eficaz para limitar la deriva del viento.
• En comparación con los muros de corte de hormigón armado, los SPW son mucho más ligeros, lo que en última instancia reduce la demanda de columnas y cimientos, y reduce la carga sísmica, que es proporcional a la masa de la estructura.
• En comparación con la construcción de hormigón armado, el proceso de montaje de un edificio totalmente de acero es significativamente más rápido, lo que reduce la duración de la construcción, que es un factor importante que afecta el costo total de un proyecto.
• Mediante el uso de SPW soldados en el taller y atornillados en el campo, se mejora la inspección de campo y se puede lograr un alto nivel de control de calidad.
• Para los arquitectos, la mayor versatilidad y ahorro de espacio debido a la sección transversal más pequeña de los SPW, en comparación con los muros de corte de concreto reforzado, es un beneficio distintivo, especialmente en edificios de gran altura, donde los muros de corte de concreto reforzado en pisos inferiores se vuelven muy gruesos y Ocupan una gran proporción de la planta.
• La construcción totalmente de acero con SPW es una solución práctica y eficiente para regiones frías donde la construcción con concreto puede no ser factible, ya que las temperaturas muy bajas complican la construcción y los ciclos de congelación-descongelación pueden resultar en problemas de durabilidad.
• En las aplicaciones de reacondicionamiento sísmico, los SPW suelen ser mucho más fáciles y rápidos de instalar que los muros de corte de hormigón armado, que es un problema crítico cuando la ocupación del edificio debe mantenerse durante todo el tiempo de construcción.
• En el caso de una respuesta inelástica, los paneles de acero se reemplazan más fácilmente y las reparaciones son más simples que para los sistemas equivalentes de hormigón armado.

En comparación con los sistemas de arriostramiento convencionales, los paneles de acero tienen la ventaja de ser un sistema continuo redundante 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 tirantes de tensión para mantener la estabilidad, califica fuertemente al SPW como un sistema ideal de disipación de energía en regiones sísmicas de alto riesgo, al tiempo que proporciona un sistema eficiente para reducir la deriva lateral. Por lo tanto, algunas de las ventajas de usar SPW en comparación con los sistemas de arriostramiento convencionales son las siguientes:

• Reduce la demanda de fuerza sísmica debido a las características de ductilidad SPW más altas y la redundancia y continuidad inherentes
• Acelera el montaje de acero estructural mediante el uso de paneles de acero soldados y atornillados en el campo y, por lo tanto, menos inspección y menores costos de control de calidad.
• Permite el diseño eficiente de sistemas de resistencia lateral distribuyendo grandes fuerzas de manera uniforme.

Un elemento cortante de placa de acero consta de placas de relleno de acero limitadas por un sistema de columna-viga. Cuando estas placas de relleno ocupan cada nivel dentro de una bahía enmarcada de una estructura, constituyen un SPW. Su comportamiento es análogo al de una viga de placa vertical en voladizo desde su base. De forma 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 se puede idealizar como una viga de placa en voladizo vertical, en la que las placas de acero actúan como alma, las columnas actúan como alas y las vigas transversales1 representan los refuerzos transversales. La teoría que rige el diseño de vigas de placa para edificios propuesta por Basler en 1960, no debe utilizarse 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 poste. -comportamiento al abrocharse. Sin embargo, la teoría de Basler podría usarse como base para derivar un modelo analítico para sistemas SPW.

Los diseñadores que fueron pioneros en el uso de SPW no tenían mucha experiencia ni datos existentes en los que confiar. Por lo general, el diseño de la placa de alma no tuvo en cuenta el comportamiento posterior al pandeo bajo cortante, ignorando así la ventaja del campo de tensión y sus beneficios adicionales para el control de la deriva y la resistencia al cortante. Además, la capacidad de deformación inelástica de este sistema altamente redundante no se había utilizado, ignorando también la importante capacidad de disipación de energía que es de gran importancia para los edificios en zonas sísmicas de alto riesgo. Uno de los primeros investigadores en investigar más de cerca el comportamiento de los SPW fue Kulak en la Universidad de Alberta . Desde principios de la década de 1980, su equipo llevó a cabo investigaciones tanto analíticas como experimentales centradas en el desarrollo de procedimientos de diseño adecuados para redactar estándares de diseño (Driver et al., 1997, Thorburn et al., 1983, Timler y Kulak, 1983, y Tromposch y Kulak, 1987 ). Una investigación reciente realizada en los Estados Unidos por Astaneh (2001) apoya la afirmación de la academia canadiense de que la placa no rígida, el comportamiento posterior al pandeo actúa como un sistema capaz de resistir el corte.

Modelos analíticos

Hay dos técnicas de modelado diferentes:

• Modelo de tira
• Modelo de interacción placa-marco modificada (M-PFI)

El modelo de tira representa los paneles a cortante como una serie de elementos de tira inclinados, capaces de transmitir únicamente fuerzas de tensión, y orientados en la misma dirección que los esfuerzos de tracción principales promedio en el panel. Reemplazando un panel de placa con puntales, la estructura de acero resultante se puede analizar usando el software de análisis informático comercial disponible actualmente. La investigación realizada en la Universidad de Columbia Británica por Rezai et al. (1999) mostró que el modelo de tira es significativamente incompatible e inexacto para una amplia gama de arreglos SPW.

El modelo de banda se limita principalmente a SPSW con placas delgadas (baja capacidad crítica de pandeo) y ciertas relaciones. En el desarrollo de este modelo, no se ha proporcionado ninguna solución para un SPSW perforado, muros de cortante con placas de acero gruesas y muros de cortante con refuerzos. El concepto de modelo de tira, aunque apropiado para el análisis práctico de placas delgadas, no es directamente aplicable a otros tipos de placas. Además, sus implementaciones aún no se han incorporado 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 SPWs en diferentes configuraciones, incluyendo paredes con o sin aberturas, con placas delgadas o gruesas y con o sin refuerzos. 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 SPSW. Sin embargo, este modelo tiene serias deficiencias cuando el comportamiento de flexión de un SPSW debe tenerse debidamente en cuenta, como en el caso de un edificio alto y esbelto.

El modelo de interacción placa-marco modificada (M-PFI) se basa en un modelo de cizallamiento 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 mediante la 'modificación' del diagrama de carga-desplazamiento para incluir el efecto de los momentos de vuelco en la respuesta SPW, de ahí el nombre de pila del modelo M-PFI. El método también aborda las interacciones de flexión y cortante de la capacidad última plástica de los paneles de acero, así como las interacciones de flexión y cortante del límite elástico final para cada componente individual, es decir, la placa de acero y el marco circundante.

Ver también

• Pandeo
• Estructuras resistentes a terremotos
• Viga de acero

Referencias

Saeed Tabatabaei y Roberts (1991 y 1992), Roberts y Sabouri-Ghomi (1991 y 1992) y Berman y Bruneau (2005)