UNAM, MÉXICO ESTADO DEL ARTE DE LA ... - anippac

INSTITUTO DE INGENIERÍA
UNAM, MÉXICO
ESTADO DEL ARTE DE LA
CONSTRUCCION DE EDIFICIOS
PREFABRICADOS EN MEXICO
Mario E. Rodriguez
SMIE

RECONOCIMIENTOS
SMIE
ANIPPAC
ANIVIP
CONACYT
INSTITUTO DE INGENIERIA (UNAM)
Dr. Jose Restrepo (UCSD)
Estudiantes:
JJ Blandon (Doctorado)
M. Torres (Doctorado)
E .Vasquez (Maestría)
G. León (Maestría)
H. Cabrera (Maestría)

SMIE
INDICE
1. Comportamiento de estructuras
prefabricadas en sismos
2. Conexiones entre elementos estructurales
de edificios
3. Diafragmas en edificios
4. Prefabricación en puentes

SMIE
Edificio Paramount
San Francisco CA
Sistema Híbrido Pankow

PUENTES EN LA CIUDAD DE MEXICO

SMIE
¿Por que no se usa tanto las
estructuras prefabricadas de
Concreto?
1. Inercia al cambio
2. Tiempo
3. Experiencias observadas en terremotos

SMIE
COMPORTAMIENTO SISMICO
OBSERVADO EN
ESTRUCTURAS
PREFABRICADAS

Armenia, 1988

SMIE
1994 Terremoto de Northridge

ESTRUCTURAS INDUSTRIALES,
TERREMOTO DE CHILE, MARZO
2010

Edificio prefabricado de CR en Ciudad Empresarial

Daños en estructura industrial de CR prefabricado en el
sismo del 20 de mayo 2012, Emilia Romagna, Italia

SMIE
Rapidez
Control de calidad
Medio ambiente (sustentabilidad)

ASPECTOS RELEVANTES A
CONSIDERAR EN EL DISEÑO Y
COMPORTAMIENTO SISMICO DE
ESTRUCTURAS PREFABRICADAS:
1. CONEXIONES
2. SISTEMAS DE PISO (Diafragmas)
SMIE

SMIE
CONEXIONES ENTRE ELEMENTOS
PREFABRICADOS DE CONCRETO

Construcción de un
edificio prefabricado de
15 niveles en el DF
SMIE

CONEXIÓN TIPO “VENTANA”

ESTUDIOS EXPERIMENTALES EN
MEXICO DEL COMPORTAMIENTO DE
CONEXIONES VIGA-COLUMNA EN
MARCOS DE CR PREFABRICADOS

EDIFICIO PREFABRICADO EN MEXICO CON
CONEXION TIPO “VENTANA”

Precast
Wall
Precast
Column
VISTA DEL MODELO DURANTE SU CONSTRUCCIÓN

ESTUDIO EXPERIMENTAL EN EL II

Viga
en L
Ductos plásticos
para ganchos
Ø4mm @ 60
CONEXION PREFABRICADA VIGA-
COLUMNA INTERIOR (CORTE A-A)
Estribo Ø4mm
@60
3Ø3/8"
de viga T
2
2Ø3/8"
3Ø1/2" colocalas
en obra
225
55
3Ø3/8"
Estribo Ø4mm
40 41 Estribo Ø1/4"
250
Columna
250x250

DAÑO OBSERVADO EN MARCO LATERAL AL
FINAL DEL ENSAYE

MECANISMO DE FALLA OBSERVADO
Pórtico en Eje Central
125mm
Eje de Muro y Pórtico
125mm

Base shear, V / VR
Base shear, V/VR
3
2
1
0
3
2
Measured
Push-over analysis
V R= 198 kN (44.5 kips)
0.00 0.01
Global drift ratio, Dr
0.02
1
0.00
1
Displacement ductility
factor ()
1 2
3 4
1 2
Dual System
Walls
Frames
V = 198kN (44.5 kips)
R
0.01
Global drift ratio, Dr
5
3
6
3
Walls
Dual System
0.02
Frames
Envolventes experimental y
calculada V-Dr
Envolventes calculadas en
muros y marcos

DAÑO OBSERVADO EN LA CONEXION TRABE-
COLUMNA EN EL EDIFICIO PREFABRICADO
ENSAYADO

17
30
25
208mm
7.63 kN-m
P/Ag*f'c=0.03
19
39.24 kN
( M=0.60 My )
1.47 kN-m
2.55 kN
78.48 kN
212mm
39.24 kN
19
2.55 kN
1.47 kN-m
DIMENSIONES Y
FUERZAS
EXTERNAS
CALCULADAS EN
LA CONEXION TIPO
“VENTANA”

208mm
34.14
34.14
39.24
27.47 kN
Elemento
critico
12.46
4.81
(0.10)
(0.04)
(0.17)
34.34 (1.0)
(0.56)
(0.20)
19.03
16.48 (0.15)
34.43
72
1.96 37.28 kN
21.68
36.59 35.71
(0.60) (0.58)
42.18
(0.69)
(0.25)
27.66
47.87 (0.44)
20.99
(0.56)
212mm
(0.16)
17.46
76.52 kN
16.28
(0.15)
58.5 64 89.5
27.47 kN
1.96
(0.87)
APLICACIÓN DEL MODELO DEL PUNTAL Y TIRANTE
PARA EL ANALISIS DE LA CAPACIDAD RESISTENTE
DE LA CONEXION
110
98
40.5 50 50 67.5
Para F=32.0 kN se
produce el
aplastamiento del
concreto, fc=0.87 f’c

ESFUERZOS Y MOVIMIENTO EN UNA BARRA EN
GANCHO EN TENSION (MINOR Y JIRSA, 1975)

SMIE

ENSAYES EN MEXICO DE UNA CONEXIÓN PREFABRICADA
TRABE-COLUMNA (Zermeño, 1992)
Placa de 1/2"
soldada a los
estribos
Columna
prefabricada
Estribo
Ø3/8" @10
Estribo
Ø3/8" @5
Placa de la
Ménsula
50 15 15
Estribo
Ø3/8" @10
Acero del
lecho superior
5Ø1"
2Ø1" a cada lado
soldadas a las
placas
Viga
prefabricada
NOTAS:
- No se muestra el refuerzo de
la ménsula
- Todas las placas son de 1/2"
- Dimensiones en centímetros

SMIE

VISTA DE UN ENSAYE TIPICO DE LA CONEXION
TRABE-COLUMNA PREFABRICADA
SMIE

V (ton)
50
25
0
-25
-50
Fractura de refuerzo soldado
SMIE
-15 -10 -5 0 5
(cm)
CICLOS CARGA LATERAL-DESPLAZAMIENTO MEDIDOS EN EL
ENSAYE DE LA CONEXION TRABE-COLUMNA PREFABRICADA

SMIE

ENSAYES EN TRACCION EN MEXICO DE VARILLAS DE
REFUERZO DE 25 MM SIN Y CON SOLDADURA (f y = 4200
kg/cm2)
fs(kg/cm 2 )
10000
6000
2000
-2000
-6000
-10000
SMIE
-0.12 -0.08 -0.04 0 0.04 0.08 0.12
s
VARILLA SIN SOLDAR

ENSAYES EN TRACCION EN MEXICO (2006) DE VARILLAS DE
REFUERZO DE 25 MM SIN Y CON SOLDADURA (fy = 4200 SMIE
kg/cm2)
f s (kg/cm 2 )
8000
6000
4000
2000
0
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10
VARILLA SOLDADA,
ELECTRODO E90 CON
PRECALENTAMIENTO
s
B1
B2
f s (kg/cm 2 )
8000
6000
4000
2000
0
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10
VARILLA SOLDADA,
BISEL B1 SIN
PRECALENTAMIENTO
s
E70
E90

MODELO ANALITICO EMPLEADO
SMIE

M c (t-m)
30
10
-10
-30
-50
-70
A (s=0.02)
F
Experimental
Calculado Ec1
-15 -10 -5 0 5
(cm)
22
7
0
-7
-22
-37
-52
V (t)
COMPARACION ENTRE CICLOS DE HISTERESIS
EXPERIMENTALES Y CALCULADOS
SMIE

f s (kg/cm 2 )
8000
6000
4000
2000
0
-2000
-4000
A
-0.01 0 0.01 0.02
s 0.03 0.04 0.05
B
Calculado Ec1
Calculado Ec2
SMIE
CURVAS ESFUERZO-DEFORMACION CALCULADAS
PARA LA VARILLA SOLDADA EN LA ZONA CRITICA

CONCLUSIONES:
SMIE
• LAS CONEXIONES PREFABRICADAS EN LAS QUE SE SUELDA LAS
VARILLAS DE REFUERZO SON FRAGILES. NO TIENEN CAPACIDAD
DE DEFORMACION
• ES NECESARIO REFORZAR LAS ESTRUCTURAS EXISTENTES CON
ESTE TIPO DE CONEXION
• ESTAS CONEXIONES SE DEBEN DEJAR DE USAR EN EL PAIS Y SE
DEBEN EMPLEAR CONEXIONES DE OTRO TIPO COMO LAS QUE
EMPLEAN EL CONCEPTO DE EMULACION

SMIE
ESTUDIOS EXPERIMENTALES EN MEXICO DE
UN EDIFICIO PREFABRICADO EN EL QUE SE
EMPLEO EL CONCEPTO DE EMULACION

180
90
90
ESPÉCIMEN PREFABRICADO EMPLEANDO EL
CONCEPTO DE EMULACIÓN
Modelo a escala 1:4 del edificio prototipo
20 30
165
54
Pieza 1:
vigas y nudos viga-columna
Losa
Pieza 3:
viga transversal
30 20 20 30
165
54
30 20
conexión con doble gancho
(drop-in double hooked bars)
Losa
Pieza 2:
vigas y nudos viga-columna
165
165
90
90
75
75
76

Trabe
prefabricada
CONCEPTO DE EMULACIÓN (NO SE EMPLEA SOLDADURA) DE UN
EDIFICIO DE CR PREFABRICADO PARA ENSAYE EN LA MESA
VIBRADORA UNAM (2005-2006)

COLADO DE
GROUT EN
ESPECIMEN
PREFABRICADO
ENSAYADO EN
MESA
VIBRADORA

COLADO DE GROUT EN DUCTOS DE CONEXIÓN
NUDO-COLUMNA DEL ESPECIMEN PREFABRICADO
ENSAYADO EN MESA VIBRADORA (DUCTOS D=13
MM, BARRA D= 6MM)

CONSTRUCCIÓN DEL ESPÉCIMEN
Vigas prefabricadas
90 cm
90
cm
PIEZA 1
31.5 cm
PIEZA 3
54 cm
180 cm
PIEZA 2

42 cm
62 cm
24 cm
50 cm
CONSTRUCCIÓN DEL ESPÉCIMEN
PIEZA 5
42 cm
59 cm
11.5 cm 11.5 cm
PIEZA 4

Conexiones
coladas en
sitio con
grout

Conexiones
coladas en
sitio con
concreto

30
Unidad de Losa
alveolar

Firme de
concreto

SISMO

Movimiento
sísmico

Aceleracion (g)
0.80
0.60
0.40
0.20
0.00
-0.20
-0.40
-0.60
Aceleración de la Base - Llolleo 100%
-0.80
0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00 50.00 55.00
Tiempo t (s)
Registro de aceleraciones (100%) empleado en el
edificio prefabricado para ensaye en mesa vibradora

Grietas de
8 mm

Vista de unión viga-columna del primer nivel después
del ensaye Llolleo 250%
SMIE
Unión col-col sin
daño

Firme vaciado
en sitio
Refuerzo
longitudinal de
viga colocado
en sitio Columna de
concreto
reforzado
prefabricado
Viga canal
prefabricada
X

SISTEMAS DE PISO (DIAFRAGMAS) EN
EDIFICIOS
SMIE

SISTEMAS DE PISO PREFABRICADOS EN EDIFICIOS
EN MÉXICO

VIGAS “T” O “DOBLE T” PARA SISTEMAS DE
PISO PREFABRICADOS
Viga T

COLADO DE FIRME EN EDIFICIO DE 15 NIVELES EN
EL DF, PREFABRICADO A BASE DE MARCOS DE CR

Malla
electrosoldada
6x6 10/10
Bovedilla
Vigueta
SISTEMA VIGUETA Y BOVEDILLA EN MÉXICO

6
30
Viga tubular
P.p. Losa + firme 6cm = 270 kg/m2
100 100
Bovedilla de
poliestireno
Detalle de viga tubular de 30 cm, bovedilla, y firme de 6 cm

5
4
3
2
1
8.5m 8.5m 8.5m 8.5m
4m 5m
A B C D E F
8.5m 8.5m 8.5m 8.5m 8.5m
3.5m
6m
Planta
19 @ 4.2m
8.4m
4 @ 8.5m
Elevacion
Edificio de 20 niveles de CR en zona III a de la zonificacion de
las NTDS 2004 , c= 0.4

Opción 1: Sistema de piso con losa maciza (peralte h= 17 cm)
Área de la planta del edificio (m 2 ) 1156
Volumen de concreto requerido (m 3 ) 150.4
Acero requerido (kg) 14678
Volumen de concreto requerido por m 2 (m 3 /m 2 ) 0.13
Acero requerido por m 2 (kg/m 2 ) 12.70
Opción 2: Sistema de piso con losa tubular (Altura h= 30 cm + 6 cm)
Área de la planta del edificio (m 2 ) 1156
Volumen de concreto requerido (m 3 )* 104
Alambre requerido (kg) 2083
Acero requerido (kg) 4323
Volumen de concreto requerido (m 3 /m 2 ) 0.09
Alambre requerido por m 2 (kg/m2) 1.80
Acero requerido por m 2 (kg/m 2 ) 3.74
* incluye el concreto del firme
Relación volumen de concreto (m 3 )
opción 1 / opción 2 = 1.45

VIGUETAS DE ALMA ABIERTA

SMIE
1994 Terremoto de Northridge

ESQUEMA SIMPLIFICADO DE EDIFICIO PREFABRICADO
PARA ESTACIONAMIENTOS (Wood et al, 1997)
SMIE
3X 16.8 m
8X 9.1 m

SMIE

Ug
FUERZAS INERCIALES EN DIAFRAGMAS DE EDIFICIOS
Fuerzas Inerciales, FI
Masa, m
m
Ug
SMIE
FR
FA
FI

H
h
i
Fi Fpx
a) Sistema sismo-resistente b) Fuerzas en la estructura c) Fuerzas en el diafragma
FUERZAS ACTUANTES EN EL SISTEMA LATERAL
SISMO-RESISTENTE Y EN DIAFRAGMAS

SMIE
PLANTA DEL EDIFICIO DE ESTACIONAMIENTO
PREFABRICADO DE CUATRO NIVELES EN MEXICALI,
MÉXICO

SMIE

SMIE

ESTUDIO EXPERIMENTAL DE EDIFICIO PREFABRICADO EN EL II DE LA UNAM
SMIE

55
Viga
longitudinal
175
1
Concreto
colado en
sitio
2Ø3/8"
65
65
Zona
crítica
Ø3/8"
L=420
2Ø3/8"
L=680
EØ4mm
@60
185
Sección B-B
(no se muestra muro)
Malla 6"x6" 10/10
225
30
Viga TT

SMIE
MODELO SIMPLE DE PUNTAL Y TIRANTE PARA DIAFRAGMA DE
ESPECIMEN ENSAYADO

SISMO
SMIE

ENSAYE ANTE SISMO DE INTENSIDAD ALTA: GRIETAS
NIVEL 1
Después de la ultima señal (Llolleo 250%), el daño fue:
Dimension de grietas:
Menores a 0.30 mm
0.30 - 0.50 mm
Mayores a 0.60 mm
165
LOSA PRIMER NIVEL
Dimensiones en cm
165
90
90

Grietas de
8 mm

PLANTA DE EDIFICIO DE CONCRETO REFORZADO
DE 20 NIVELES EN ZONA IIIa DEL DF

Vista en elevación del modelo en ETABS

C
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0 1 2 3 4
T (seg)
ELASTICO IIIa
REDUCIDO, Q'=0.8X3
T1=2.24 seg

H i / H
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0 0.05 0.1 0.15
Vi / WT CORTANTES MAXIMOS RESULTADO DE
ANALISIS DINAMICO REDUCIDO
Cortante (dinámico)
NTCS
Vb estatico/WT

H i / H
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
F i din F i
a o
0.0
0.0 0.1 0.2
Fi / Wi 0.3 0.4
Fuerzas en diafragma
NTCS Fi Dinámico Reducido
Fi din
F F
a W W
i
idin
0
i i
FUERZAS LATERALES Y EN DIAFRAGMAS EN EL EDIFICIO,
F i din, y F i , CRITERIO NTCS

PROPUESTA PARA DISEÑO DE SISTEMAS
DE PISO
ELABORADO POR COMITÉ DE DIAFRAGMAS
DEL ANIVIP
Marzo 2012

Propuesta para valuar fuerzas sísmicas máximas en
diafragmas y apéndices rígidos de edificios (Rodriguez
y Restrepo, Revista de Ingeniería Sísmica No. 86, 2012)
2
1 2
R
,
3 ao
Fna
W
n Q
8
5
1 2 1.4 n 15 h i F
n
Fi ( mi ga0)
1 1
H Wna0 R: factor de sobreresistencia
a: coef sismico
ao: aceleracion máx del
terreno
Q’:factor de reducción por
comportamiento sísmico

H i / H
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0.0 0.2 0.4
Fi / Wi 0.6 0.8
Propuesta
NTCS
Dinámico Reducido
Valores de fuerzas sísmicas máximas en diafragmas del
edificio de 20 niveles empleando las NTCS y el
procedimiento de Rodriguez, Restrepo. Comparación con
fuerzas del análisis dinámico

CONOCIDA LAS FUERZAS INERCIALES
PARA DISEÑAR LOS DIAFRAGMAS DEL
EDIFICIO ¿QUE SIGUE?
SIGUE EL DEFINIR LA CANTIDAD Y
DISTRIBUCION DE REFUERZO EN LOS
DIAFRAGMAS
EMPLEO DE LOS METODOS DEL PUNTAL Y
TIRANTE, Y DEL PANEL Y BARRA (STRINGER
PANEL)

METODO DEL PANEL Y BARRA (STRINGER PANEL )
x
N3 x
N1 y
N3 y
N1 v
y
N4 y
N2 x
N4 x
N2 v
N 4
y
N2 Fuerzas en barras y cortante en panel del elemento panel-barra
(Blaaunwendraad y Hoogenboom, 1996)

F
4
32 F
64 F
F
64
F
16
F
16
F
4
16
F
3F
64
32 F
32 F
64
F
F
16
F
16
F
16
F
16
16
F
16
F
16
F
32 F
32
F
Distribución de las fuerzas inerciales en los nudos
de paneles del diafragma en estudio
F
16
F
16
F
16
F
16
32 F
32
F
16
F
16
F
16
F
F
16
F
16
F
16
F
16
32 F
F
64
16
F
3F
64
32
F
F 4
F
16
F
16
F
64
F
64
F
32
F 4

5
4
3
2
1
F
4
32
F
A B C
F F
64 32
F
64
v 1
v 4
F
4
16 F
64
3F
32 F
64 F
v 2 v 3 -v 2
v 5
v 7
v 9
16 F
16 F
16 F
32 F
F
32
v 6
v 8
v 10
16 F
16 F
D E F
Distribución del flujo de cortante en los paneles
del diafragma
16 F
32 F
F
32
-v 5
-v 7
-v 9
16 F
64
3F
F
32
32
F
64
F
F 4
-v 1
-v 4
F
64
F
64
32 F
F 4

5
4
3
2
1
A B C D E F
3/8” a
25cm
En todo
Ø3/8"@17.5cm
Ø3/8"@25cm
Ø3/8"@25cm
A B C D E F
Armado con Método de Panel-Barra
5
4
3
2
1
8.74 mm
En todo malla
a Ø12.0mm@30cm 25 cm
•Acero de refuerzo f y =4,200 kg/cm 2 •Malla electrosoldada (fy=5000 kg/cm 2 )
Ø3/8"@25cm
Ø3/8"@25cm

5
4
3
2
1
- 7F
64
- F
64
A B C
64 F
-F
32
7F -F
64 16
-F
32
-5F
64
-9F
64
Fuerza normales en las barras de los paneles del diafragma.
Compresión (-), tensión (+)
- 3F
32
3F
32
F
64
5F
64
-F
32
-F
32
-F
32
-F
32
- 5F
32
F
16
32
F
32
F
32
F
32
F
- 5F
32

5
C
8.50
D
P (t)
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
‐200
‐400
A-A
(V50x80)
3Ø1"
3Ø1"
4Ø1"
4Ø1"
(27, ‐132)
0 50 100 150 200
M (t‐m)
A
A
A-A
(V50x80)
4Ø1"

EVALUACION DE ELEMENTOS MECÁNICOS CRÍTICOS EN
UN DIAFRAGMA TÍPICO DEL EDIFICIO EMPLEANDO EL
METODO DE PUNTAL Y TIRANTE

5
4
3
2
1
A B C D E F
Ø1/2"@15cm
Ø1/2"@25cm
Refuerzo en firme con el Método del Puntal y
Tirante

CONSTRUCCION EN MEXICO
EN PUENTES PREFABRICADOS
DE CONCRETO REFORZADO EN
ZONAS SISMICAS URBANAS

Junta

V
h
H
G.C.
D
P
H
P
D
M
V

FUERZAS ACTUANTES EN LA CONEXION COLUMNA-
CIMENTACION TIPO CANDELERO
Precast
column
C
F1
R
P
F3
F2
V
C1
C
Socket base
reinforcement
T=C/2
T=C/2
a) Columna b) Cimentación c) Cimentación
N
F1
R
C
F3
F2
C1
H

CARACTERÍSTICAS DEL PROTOTIPO (Torres y
Rodriguez, 2007)
1500
3950
3000 14000
17000
ELEVACIÓN PROTOTIPO
5600
1200
1500
104 VARS.
Ø
#10
MODELO A ESCALA 1/2.5
2200
1 JUEGO DE
6 E #4@150
SECCIÓN COLUMNA
PROTOTIPO
(ACOTACIÓN EN mm)

CONTROL POR DESPLAZAMIENTO
ACTUADORES A y B
0.05
HISTORIA DE CARGA
MURO DE REACCIÓN
ESQUEMA DE ENSAYE
FUERZA (A + B)
ACTUADORES A y B
m t = ½ (FUERZA C ‐ FUERZA D) L
v y = FUERZA A + FUERZA B
FUERZA C = (ALFA)*(FUERZA A + FUERZA B)
FUERZA D = ‐ FUERZA C
FUERZA C
ALFA = 0.76
MARCO DE CARGA
L
FUERZA D
v y
m t

TRASDUCTOR
DE CUERDA
DESP. HOR.
ACTUADOR D
(50t)
ESPÉCIMEN SIN POSTENSADO
FUERZA VERT.
TRASDUCTOR
DE CUERDA
FUERZA HOR.
ACT. A Y B
(100 t c/u)
ACTUADOR
C (50t)

10 4
x
M ( kN-mm)
RESULTADOS EXPERIMENTALES MOMENTO EN LA
BASE DE COLUMNA VS. DISTORSIÓN.
171.7
(175 t-m)
112.8
(115 t-m)
53.9
(55 t-m)
0
-34.3
(-35 t-m)
-93.2
(-95 t-m)
M RDF
M RDF
= 118.6x10 kN-mm
(120.9 t-m)
-152.1
-1.25
(-155 t-m) -0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07
dr
4
1.50
1.25
1.00
0.75
0.50
0.25
0
-0.25
-0.50
-0.75
-1.00
M/M RDF

DUCTILIDAD 6, CICLOS 1 Y 15

GRACIAS
SMIE