CARGA AXIAL DE DISEÑO DE COLUMNAS DE MARCOS CON CONTRAVENTO CONCÉNTRICO

ESTUDIO COMPARATIVO

Con base en lo anterior, se realizó un estudio comparativo entre las metodologías de predicción disponibles en la literatura, la propuesta de esta investigación y los resultados estadísticos de los diez análisis no lineales aplicados a los modelos en estudio. En los análisis dinámicos no lineales se determinó la carga axial de las columnas a la mitad del análisis (50 percentil), en la media más una desviación estándar (84 percentil) y la magnitud al final del análisis (100 percentil); de manera que las magnitudes consideradas a continuación representan el promedio de los diez análisis.

En la estadística descriptiva, el percentil permite conocer puntos característicos de la distribución adicionales a los valores centrales, en este caso en 0.50, 0.84 y 1.00. Por definición, un percentil de orden p de una distribución con 0 <p< 1 es la magnitud de la variable x_p que establece un corte de modo que una proporción p de valores de las magnitudes sea menor o igual que x_p. Entonces, por ejemplo, el percentil de orden p= 0.50 corresponde a la mediana de la distribución; es decir, deja fuera al 50 por ciento de las cargas axiales ordenadas de menor a mayor para cada uno de los diez análisis dinámicos no lineales.

En la tabla 3, se muestra la demanda promedio obtenida en las columnas normalizada con la carga gravitacional (P_max/P_g) para hacer notar la importancia de la respuesta inelástica del sistema de contravientos. Así, la carga axial máxima que soporta una columna adyacente a una crujía contraventeada durante un sismo intenso llega a ser más de cinco veces la magnitud de la demanda gravitacional.

En la figura 10 se presenta la determinación de la carga axial en las columnas CA2 y CB3 de los modelos estudiados. La máxima carga representa el caso desfavorable e hipotético en el que todos los contravientos encima del nivel considerado están fluyendo en ese instante. La magnitud de Khatibet al (1998) y Lacerte y Tremblay (2006) representa la carga axial estimada mediante la aplicación de los métodos discutidos anteriormente. Además, se incluye la magnitud de la carga axial determinada mediante la ecuación 7.

Tabla 3. Carga axial promedio en columnas de los análisis dinámicos normalizada con la carga gravitacional

Nivel	Modelo 10 pisos			Modelo 14 pisos			Modelo 18 pisos
	50 percentil	84 percentil	100 percentil	50 percentil	84 percentil	100 percentil	50 percentil	84 percentil	100 percentil
18							1.00	1.11	1.23
17							3.80	4.04	4.45
16							3.62	3.86	4.25
15							3.26	3.47	3.83
14				1.00	1.05	1.20	2.83	3.02	3.34
13				3.63	3.89	4.42	2.39	2.54	2.81
12				3.43	3.67	4.13	2.26	2.41	2.70
11				3.09	3.33	3.68	2.25	2.45	2.71
10	1.00	1.03	1.09	2.91	3.23	3.47	2.25	2.53	2.74
9	1.72	1.84	1.87	2.88	3.36	3.43	2.30	2.67	2.81
8	1.92	2.08	2.27	2.97	3.52	3.61	2.40	2.87	2.95
7	2.41	2.64	3.06	3.26	3.90	4.01	2.59	3.13	3.22
6	2.93	3.19	3.60	3.72	4.34	4.49	2.90	3.47	3.58
5	3.51	3.79	4.19	4.27	4.81	5.01	3.23	3.81	3.93
4	4.01	4.26	4.63	4.80	5.29	5.50	3.62	4.19	4.33
3	4.39	4.63	4.99	5.36	5.82	6.03	4.00	4.56	4.69
2	4.82	5.06	5.43	5.85	6.31	6.54	4.38	4.92	5.06
1	5.18	5.38	5.78	6.20	6.69	6.87	4.68	5.20	5.33

Existe poca diferencia entre la carga axial a la mitad del análisis (50 percentil) y la máxima magnitud (100 percentil), lo que implica que la magnitud máxima de carga axial en las columnas se alcanza rápidamente durante un sismo intenso.

Algunos estudios señalan que la metodología de la suma de los cuadrados (Khatibet al 1998) parece determinar adecuadamente la magnitud de la carga axial en edificios de mediana y baja altura (Redwood et al 1991). Sin embargo, existen investigaciones que demuestran que esa metodología es poco efectiva en edificios de mediana y gran altura (como Lacerte y Tremblay 2006), como también se demuestra en esta investigación (figura 10).

En los modelos estudiados, la propuesta desarrollada en esta investigación (ecuación 7) predice conservadoramente la magnitud de las cargas axiales, especialmente en los pisos inferiores del modelo de 10 niveles. En general, el cambio de criterio para k ≤ H/2 y k > H/2 para la determinación de las cargas axiales (ecuación 7) es gradual entre pisos adyacentes.

CONCLUSIONES

En estructuras dúctiles asociadas a un mecanismo de colapso columna fuerte - viga débil - contraviento más débil, la redistribución de las demandas en la columna durante un evento sísmico pueden afectar el desempeño de todo el sistema. Por esta razón, la determinación de la carga axial máxima en las columnas que se puede alcanzar durante sismos intensos tiene especial interés para asegurar un adecuado nivel de seguridad con buena certidumbre. En este artículo se discuten los resultados de un estudio sobre la variación de la carga axial en columnas de crujías contraventeadas a lo largo de sismos intensos. La investigación pone en evidencia la importancia de la redistribución de cargas, luego de la fluencia de los contravientos en sismos intensos, así como la importancia y complejidad de predecir la magnitud de la carga axial en las columnas desde la etapa de diseño.

1) Modelo de 10 pisos
b) Modelo de 14 pisos
c) Modelo de 18 pisos
Figura 10: Comparación de la carga axial de los análisis y los métodos de determinación

Las columnas que se estudiaron forman parte de edificios regulares de 10, 14 y 18 pisos estructurados con marcos momento resistentes dúctiles de acero con contravientos en chevrón bajo análisis dinámicos no lineales con diez registros artificiales que se escalaron conforme a un espectro de diseño para suelo blando. Las principales aportaciones de la investigación son las siguientes:

• Los resultados indican que la carga axial máxima que puede soportar una columna adyacente a una crujía contraventeada durante un sismo intenso puede ser más de cinco veces la magnitud de la demanda gravitacional en los pisos inferiores.

• Con base en los resultados, los métodos disponibles en la literatura para estimar la carga axial en columnas adyacentes a crujías contraventeadas no son una buena estimación de la demanda en marcos contraventeados en configuración chevrón localizados en suelo blando.

• Se desarrolló una metodología que pretende predecir la demanda axial en columnas en función de la carga gravitacional P_g, la cantidad total de pisos del edificio H, el entrepiso en el que se encuentra la columna k a la que se está prediciendo la carga axial y de un porcentaje de la carga de fluencia de los contravientos en los pisos que se encuentran sobre ella y que se calcula a partir de un factor de participación f_p. El procedimiento estima magnitudes conservadoras de la carga axial de diseño de las columnas que guían a un diseño más económico y realista de las columnas de los casos estudiados.

Finalmente, se hace notar que la metodología propuesta se desarrolló para marcos contraventeados en configuración chevrón en suelo blando y que los resultados no son extrapolables a otras configuraciones de contravientos o condiciones, lo que deberá ser parte de investigaciones posteriores.

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