Estudio comparativo del comportamiento de pórticos duales de concreto armado idealizado con elementos tipo frame y elementos planos finitos

Abstract

Los muros son elementos bidimensionales que comúnmente son modelados como elementos unidimensionales por medio de brazos rígidos (Frame) en la unión de las placas y vigas. Esta metodología de análisis estructural está asociada al considerable aporte de rigidez que tienen los muros para la estructura, las vigas que llegan a estos elementos son consideradas como empotradas; a la hipótesis de Navier (secciones planas) y a la practicidad del modelo. Sin embargo, considerando que ningún elemento es lo suficientemente rígido, es de esperarse que los muros de concreto armado se deformen y, en mayor medida, en los de poca esbeltez a causa de la deformación por corte. La deformación por corte genera alabeo en las secciones que, aunque más pequeño que sean, afectan a las fuerzas internas de los elementos estructurales. Es decir, la presencia de alabeo (deformación por corte) y giro de los nodos del muro causa una redistribución de cargas en los elementos estructurales. Por ello, el objetivo general es evaluar la relevancia o influencia que se tiene al emplear elementos tipo Frame y elementos planos finitos (Shell) para idealizar muros de concreto armado de poca esbeltez (H/L) en pórticos duales en términos del comportamiento estructural. A ambos modelos se les incorpora, en la intersección entre muro y entrepiso, un brazo rígido Frame en el muro con una rigidez tal que los momentos en los extremos de las vigas que llegan al muro sean similares entre ambas alternativas, y que los giros dentro del muro se anulen a nivel de cada piso. El estudio evalúa fuerzas internas, desplazamientos, rigidez lateral, giros, derivas, periodos y esfuerzos producidos por un análisis con cargas de diseño. Los modelos estructurales que se realizan en el programa SAP2000 se dividen en 4 categorías de acuerdo con la relación altura/ancho (H/L) que tienen los muros (H/L=0.5, 1.0, 1.5 y 2.0). Además, el modelo busca representar en 2D un análisis de una estructura en 3D para que los resultados se puedan extrapolar. Los pórticos se encuentran empotrados en la base. 2 El análisis comparativo evidencia que incorporar un brazo rígido Frame en el modelo Shell elimina el alabeo en las zonas cercanas al entrepiso o brazo rígido. Por esta razón, aumenta la rigidez del modelo Shell e incluso es mayor a la rigidez del modelo Frame, contrario a la teoría básica que describe mayor flexibilidad del modelo Shell con respecto al modelo Frame. Por tanto, esto ocasiona que el modelo Frame con muros de poca esbeltez presente mayores desplazamientos laterales, menor rigidez lateral, menores fuerzas internas y menores esfuerzos para las cargas asignadas. Además, conforme aumenta la esbeltez, la variación en los giros de los nodos del eje del muro disminuyen y siempre es mayor para el modelo idealizado con elementos tipo Frame. Entonces, la consideración de cómo se idealiza el muro se presenta como un factor importante en el análisis estructural que, de no tomarse en cuenta, puede generar un diseño poco conservador, una sobreresistencia y un margen de seguridad menor al planteado en el diseño.