Experimental behaviour of RC interior wide beam-column joint subject seismic actions and axial load 

Marcial Hurtado-Alvarado y Ricardo Picón-Rodríguez 

Universidad Centroccidental “Lisandro Alvarado”. Barquisimeto, Venezuela, Telf. 0251-2592180, hmarcial@hotmail.com, rpicon@ucla.edu.ve

Abstract 

This paper presents experimental tests that show the influence of axial load of the RC wide beam-column interior joint subjected to lateral displacements. A numerical part where the numerical results of the experimental tests is included. A damage model with slip in the wide beam-column joints is used. The numerical results and experimental tests were similar. Experimental tests with and without axial load application were performed. The axial load on the interior joint column was applied using the post-tension technique. The pinching phenomenon and energy dissipation from experimental curves were analyzed. The lateral stress increased with the compression axial load application on the joint column is reported. The energy dissipation increases when the axial load on the column of interior joint decrease. The damage levels of the simulations in the wide beam-column joints increased with low axial load on the column. The numerical results are accord with experimental tests. 

Key words: Wide beam-column joints, Lumped Damage Model with Slip, slip by Bond Deterioration. 

Comportamiento experimental de uniones interiores viga plana-columna de concreto armado bajo acciones sísmicas y carga axial

Resumen

Este trabajo presenta un modelo experimental que muestra la influencia de la carga axial en las juntas interiores viga plana-columna de concreto armado sometida a desplazamientos laterales simulando su comportamiento ante un sismo. Existe una parte numérica donde se simula el ensayo experimental usando el Modelo de Daño con Deslizamiento en las Juntas viga plana-columna. Los resultados numéricos y experimentales son muy parecidos. Los ensayos experimentales se realizaron sin carga axial de compresión en la columna y con carga axial aplicando el método de post-tensado para incorporar y mantener la carga axial en la columna de la junta. Los fenómenos analizados de los resultados experimentales son el estrangulamiento en las curvas de comportamiento histerético, la disipación de energía y la comparación entre las curvas de comportamiento experimentales y las simulaciones numéricas. Como resultado se reportan el aumento de resistencia al desplazamiento lateral de la probeta con carga axial aplicada, la mayor energía disipada de la probeta sin carga axial aplicada. Los niveles de daño obtenidos en la simulación con carga axial de compresión en la columna de la junta son mayores que sin carga axial, estando estos resultados numéricos acordes a los experimentales. 

Palabras clave: Juntas Viga plana-columna, modelo de daño concentrado con deslizamiento, deterioro de adherencia.

Recibido el 27 de Julio de 2007 En forma revisada el 17 de Febrero de 2009

Planteamiento del problema

La respuesta inelástica de las estructuras de concreto armado bajo acciones cíclicas como los sismos se caracteriza por la degradación de sus elementos y nodos. El fenómeno más pronunciado en las curvas histeréticas de comportamiento de las juntas interiores de concreto armado es el estrangulamiento. Este estrangulamiento en las curvas Fuerza-Desplazamiento es especialmente notorio en uniones interiores viga plana-columna [1] y en los elementos donde predominan los esfuerzos cortantes, como en columnas cortas y muros [2]. Este comportamiento histerético es un fenómeno muy complejo que es influenciado por varios parámetros estructurales, geométricos y de los materiales. 

En la juntas viga plana-columna, el fenómeno de estrangulamiento es reflejado por el deslizamiento entre el refuerzo longitudinal de las vigas planas y el concreto [3]. En dichas juntas, gran parte del refuerzo longitudinal de la viga pasan por fuera del núcleo de la columna y no se encuentran tan bien confinadas como el refuerzo que pasa por el núcleo. Además, el efecto de confinamiento que puede añadir la carga axial de la columna al refuerzo longitudinal de las vigas planas no está presente en el refuerzo longitudinal que rodea a la columna. 

Existen estudios experimentales previos para conocer el comportamiento histerético de las juntas viga plana-columna [1-4]. Las juntas interiores y exteriores ensayadas y mostradas en estos trabajos fueron sometidas solamente a desplazamientos laterales histeréticos en el nodo superior, sin tomar en cuenta la presencia de la carga axial en la columna, que es la condición lógica que existe en una junta de una edificación de varios niveles. En cada uno de los trabajos mencionados se concluye que el estrangulamiento de la gráfica de comportamiento histerético de la junta es debido al deslizamiento entre el acero de refuerzo y el concreto de la viga plana en la junta [3, 4]. Por lo tanto, conocer el comportamiento histerético experimental de las juntas de concreto armado viga plana-columna sometidas a cargas laterales y a compresión axial en la columna, ayudara a entender un poco más su comportamiento ante un sismo. 

Por otra parte, se hará uso del modelo simplificado de daño concentrado con deslizamiento entre el refuerzo de acero y el concreto en las juntas viga plana-columna [5], para la simulación numérica de los ensayos experimentales de las juntas con carga axial de compresión en la columna. El uso del modelo mencionado permitirá simular y predecir el comportamiento de las juntas, permitiendo representar de manera adecuada su comportamiento y obtener los diferentes niveles de daños alcanzados en cada elemento estructural que concurren a la junta. 

Teoría del modelo simplificado de daño para juntas viga plana-columna de concreto armado 

Este modelo posee un enfoque diferente, ya que se basa en la mecánica de los medios continuos, la mecánica de la fractura y el modelo de daño concentrado adaptados a estructuras aporticadas de concreto armado [5]. Este modelo combina la definición de la variable de daño de los medios continuos con el concepto de rótulas plásticas, permitiendo describir el comportamiento de las estructuras al incorporar efectos bien conocidos, que influyen en el deterioro de las mismas. Así mismo, permite representar los efectos de plasticidad o deformaciones permanentes y la degradación del material, debido a la fluencia del acero, deslizamiento entre el refuerzo y el concreto (estrangulamiento en las curvas de P-δ) y al agrietamiento del concreto. Para simular el problema se utiliza el modelo de disipación concentrada, el cual representa cada miembro como el ensamblaje de una viga-columna elástica y dos rótulas inelásticas ubicadas en los extremos de la viga-columna. Suponiendo que la disipación de energía, daños y plasticidad, se concentran en las rótulas “i” y “j”, mientras que la viga-columna mantiene un comportamiento elástico (Figura 1). El fenómeno de deslizamiento entre el refuerzo de acero y el concreto en las juntas viga plana-columna produce un estrangulamiento en las curvas de comportamiento de estas juntas, se muestra en la Figura 2 la zona donde se desarrolla el deslizamiento.

Para considerar la fluencia del acero y el agrietamiento del concreto, respectivamente, se incluyen dos grupos de variables internas: un grupo de deformaciones plásticas o permanentes    en las rótulas “i” y “j”, y otro grupo de variables de daños que representan el nivel de agrietamiento en las rótulas “i” y “j” bajo acciones positivas y agrietamiento bajo acciones negativas respectivamente. Los valores que pueden tomar las variables de daños se encuentran en un intervalo cerrado entre cero “0” y uno “1”. Si el valor de la variable de daño es cero, el concreto se encuentra intacto y si es uno el concreto se encuentra totalmente agrietado. 

 Considerando un miembro de un pórtico plano en el caso de pequeñas deformaciones, las deformaciones y esfuerzos generalizados del miembro se denotan por: {Ф}^t = {Ф_i, Ф_j, δ} y  {M}^t  { M_i,M_j,N }, respectivamente. 

La matriz columna {M}^t = { M_i, M_j, N }, donde M_i y M_j son los momentos flectores en los extremos i y j del miembro respectivamente, y N es la fuerza axial (Figura 3). La matriz columna {Ф}^t = {Ф_i, Ф_j, δ}, representa las deformaciones generalizadas, donde f_i y f_j corresponden a las rotaciones en los extremos i y j respecto a la cuerda “ij” del miembro respectivamente, y d al alargamiento de la cuerda “ij” del miembro (Figura 4) [5].

Procedimiento Experimental 

El presente trabajo de investigación parte del estudio realizado por los investigadores Carlos G. Quintero-Febres y James K. Wight [1]. El cual consistió en la simulación experimental de una junta interior típica, de un pórtico de concreto armado tridimensional de un edificio. Dicha junta consta de una columna con dos vigas planas en la dirección longitudinal de carga, dos vigas transversales y una porción de losa soportada por el conjunto (Figura 5).

En esta investigación se elaboraron probetas con las dimensiones mostradas en la Figura 3. Las dimensiones son similares a la probeta IWB1, que desarrolló Quintero et al. [1] y se presentan en la Figura 6. Las probetas construidas para el análisis del presente trabajo serán llamadas UCLA y fueron ensayadas en el Laboratorio de Mecánica Estructural de la Universidad Centroccidental “Lisandro Alvarado”.

En la Tabla 1. se presenta un resumen compartido de las dimensiones y caracteristicas de las probetas IWB1 y UCLA.

Construcción de las probetas 

Se elaboraron tres probetas UCLA, dos a ser ensayadas y una de reserva. En la construcción de las probetas se utilizó encofrado de madera, moldeando cada elemento a las dimensiones requeridas, se debe resaltar que para evitar juntas de construcción, el vaciado (vertido) de concreto se realizó al mismo tiempo en las tres probetas UCLA, se muestra el proceso en las fotografías de la Figura 8.

Soportes de las probetas 

Las probetas fueron soportadas por cinco elementos, cuatro de ellos son piezas bi-articuladas (bielas) conectadas a las vigas, y una articulada conectada a la parte inferior de la columna. El detalle del sistema de apoyo se muestra en la Figura 9, y los elementos de apoyo se observan en la Figura 10.

Aplicación de la carga axial 

La aplicación de la carga axial en compresión a la columna, se realizó mediante el uso de la técnica de pos-tensado. Para lograr el efecto de carga axial, la columna se construyó con un ducto en su centro, y en los extremos de la columna se colocaron elementos metálicos que aplican y reciben la carga axial distribuyéndolas uniformemente en la columna. El tensado de efectuó con el uso de un gato hidráulico, el cual tiene una capacidad máxima de 100 Ton., esto se aprecia en la Figura 11.

Se escogió dos niveles de carga axial en la columna para ser aplicadas a las probetas experimentalmente. La primera es con carga axial cero (nula) y otra con una carga cercana a la balanceada (100 Ton.) que puede resistir la columna. Para la determinación de la carga axial balanceada se utilizó el programa “Portal de Pórticos” como una herramienta, el cual permite hacer análisis dinámico no-lineal y también puede determinar el diagrama de interacción Carga axial-Momento de elementos de concreto armado. Este programa fue desarrollado por la Universidad de los Andes (ULA) y la Universidad Centroccidental “Lisandro Alvarado” (UCLA) [6]. En la  Figura 12 se observa el diagrama de iteración de la columna de la junta viga plana-columna. En este diagrama de iteración se indica las solicitaciones de carga y momento máximo alcanzado durante las pruebas, estando estos valores dentro de los rangos de esfuerzos máximos calculados para esa columna.

Para las características de la columna de la probeta objeto del análisis en el presente trabajo, se determinaron los siguientes valores:  

• Carga axial para falla Balanceada: 121,150 Kg. 

• Momento para falla balanceada: 28.051,03 Kg-m. 

• Carga máxima a compresión pura: 572 ton. 

• Relación carga balanceada / carga máxima = 0.152. 

Instrumentación y ensayo de las probetas 

Se utilizaron los equipos del Banco de Ensayos del Laboratorio de Mecánica Estructural (LME) del Decanato de Ingeniería Civil de la Universidad Centroccidental “Lisandro Alvarado”, ubicado en Barquisimeto, Venezuela, para la instrumentación de las probetas. El equipo consta de un actuador hidráulico que puede aplicar desplazamientos cíclicos controlados en el tope de la columna de la probeta con aumentos de cinco milímetros por ciclo, hasta alcanzar ±5cm. A partir de este desplazamiento, la secuencia se aumentó a un centímetro, hasta llegar a un desplazamiento de ±12cm en el tope de la probeta (Figura 13). El actuador puede reportar la fuerza necesaria para alcanzar el desplazamiento impuesto, a través de una celda de carga que se encuentra en la punta del mismo. La historia de desplazamiento en función del tiempo se presenta en la Figura 14, obteniendo 17 ciclos.

Se ensayaron las probetas con las siguientes aplicaciones de carga axial de compresión en la columna de la junta viga plana-columna: 

1. Una probeta a ser ensayada sin carga axial en la columna. 

2. Otra probeta con carga axial (100 Ton) en la columna. 

La cantidad de probetas construidas para este trabajo fue una limitación, por el alto costo que implica la construcción de la probeta a escala real. Con este número de probetas ensayadas no es suficiente para llegar a conclusiones absolutas, sin embargo se obtendrán resultados que orienten futuras investigaciones sobre el comportamiento histerético de las juntas viga plana-columna tomando en cuenta la relación entre el ancho de la viga plana (b_v) y ancho de la columna (b_c) y el nivel de carga axial en la columna. 

Resultados y Discusión 

Las curvas de comportamiento fueron los resultados experimentales obtenidos en el LME y se presentan en las Figuras 15a y 15b. 

Al comparar los resultados experimentales entre las dos probetas UCLA se puede observar que en ambas curvas (P-Deriva), el fenómeno de estrangulamiento persiste. La probeta sin carga axial (UCLA-S) alcanzó un poco más del 3% de deriva (Figura 15a). Mientras que la probeta con carga axial (UCLA-C) aplicada en la columna se alcanzó un desplazamiento mayor (Figura 15b). Si comparamos el nivel de carga lateral alcanzada al 3% de deriva, se observa una mayor carga lateral aplicada en la probeta con carga axial de compresión en la columna. En este caso particular la diferencia entre la UCLA-C fue de un 22% mayor que la probeta UCLA-S. 

Simulación numérica 

La simulación numérica de los dos ensayos experimentales se realizó con el Modelo de Daño simplificado para juntas viga plana-columna [5, 7], obteniendo las curvas de comportamiento y los mapas de daños de los elementos que concurren a las juntas (Figura 16).

Los resultados experimentales se analizaron considerando varios aspectos, entre ellos se encuentran: disipación de energía, resistencia de la probeta como producto de la aplicación de la carga axial, correlación entre los resultados experimentales y la simulación. 

Disipación de Energía 

En los lazos de los diagramas histeréticos Carga vs. Desplazamiento se determina la energía disipada. La suma de las áreas encerradas en cada ciclo da como resultado la energía total disipada. En la  Figura 17 se observa el lazo del ciclo 9 de las probetas UCLA-S Y UCLA-C.

En la Tabla 2 se presenta la comparación de la energía disipada por cada probeta y por ciclo, se observa claramente que la probeta UCLA-S disipó mayor energía, generando mayor cantidad de grietas que en la probeta UCLA-C. La densidad de grietas entre las probetas ensayadas experimentalmente se observan en la Figura 18 y Figura 19.

La curva de comportamiento obtenida por la simulación numérica realizada con el Modelo Simplificado de Daño para juntas viga plana-columna [5,7] de la probeta UCLA-C se muestran en la Figura 20b. La cual refleja una semejanza muy buena con la curva experimental (Figura 20a). Los parámetros usados en el programa del modelo de daño para juntas viga plana-columna son las curvas de iteración Carga Axial vs. Momento de Agritamiento. Momento Plástico, Momento Ultimo y Curvatura Ultima Plástica, como también el Momento deslizante [5,7]. Todos estos parámetros son determinados mediante la teoría clásica de concreto armado [7].

Conclusiones y Recomendaciones 

• La diferencia principal entre las curvas de comportamiento histerético entre las probetas UCLA-S y UCLA-C es la magnitud de la carga lateral alcanzada en el tope de la junta. La forma sigue siendo estrangulada y la pérdida de rigidez se observa por el cambio de las pendientes en los ciclos sucesivos. La mayor carga lateral alcanzada la registró la probeta UCLA-C, la cual tenía aplicada una carga axial de compresión en la columna de 98 Ton (95% de la Carga balanceada de la columna). La causa de este aumento de la carga lateral se debe a que la junta UCLA-C tiene mayor grado de confinamiento y se necesita un mayor esfuerzo al aplicar la misma historia de desplazamiento.

• Existe mayor disipación de energía en la probeta UCLA-S, lo que explica el mayor daño observado en sus elementos (grietas en el concreto), sobre todo en la columna. La posible causa de este fenómeno es debido a que los esfuerzos resistentes de cualquier elemento de concreto armado aumentan a medida que la carga axial a compresión aumenta hasta el nivel de carga axial de compresión balanceada del elemento. Por lo tanto los esfuerzos actuantes en la probeta UCLA-S alcanzaron niveles cercanos a los resistentes, mientras que en la probeta UCLA-C los esfuerzos actuantes estuvieron lejanos a los esfuerzos resistentes para ese nivel de carga axial de compresión en la columna de la junta. 

• Se recomienda realizar otros ensayos adicionales, variando las relaciones ancho de viga/ancho de columnas (b_v/b_c), y así determinar la relación a partir de la cual la carga axial de la columna tiene influencia determinante en el comportamiento histerético de las juntas viga plana-columna de concreto armado. Pudiendo verificar cual es la relación b_v/b_c en que el efecto de estrangulamiento tiende a desaparecer.

• Se recomienda realizar ensayos experimentales variando la profundidad de la columna en la junta para verificar si lo que sugiere la norma COVENIN 1753-2006 es suficiente. Esto podría indicar que a profundidades de columnas muy altas la pérdida de adherencia entre las barras de acero que pasan por el núcleo de la junta y el concreto desaparece. 

Agradecimiento 

Personal del Laboratorio de Mecánica Estructural (LME) de la UCLA. 

Especial agradecimiento al CDCHT de la UCLA y a las empresas: Corporación Jal C.A., Post-tensados Industriales N.V., Constructora Montalca, Construcciones G.P.A. y Pre-mezclados Cocipre C.A. 

Referencias Bibliográficas

1. Quintero-Febres, C. y Wight, J., “Investigation on seismic behavior of RC interior wide beam-column connections”. Report No UMCEE 97-15 (1997).        [ Links ]

2. Thomson E., Julio Flórez-López, “Modelo Simplificado para la Evaluación del Daño en Muros Estructurales Bajos de Concreto Armado Sujetos a Cargas Laterales”. Trabajo de tesis de Doctor en Ciencias Aplicadas en la ULA. (2004).        [ Links ]

3. Quintero-Febres, C. y Wight, J., “Experimental study of Reinforced Concrete Interior wide beam-column connection subjected to lateral loading”. ACI Structural Journal, 98 (4): (2001). 572-582.         [ Links ]

4. La Fave y Wight, J.K. “Reinforced concrete exterior wide beam-column slab connections subjected to lateral earthquake loading”. ACI Structural Journal,  (1999). 96-S64.        [ Links ]

5. Picón-Rodríguez Ricardo, Quintero-Febres Carlos and Flórez-López Julio. “Modeling of cyclic bond deterioration in RC beam-column connections”. Structural Engineering and Mechanics, 26 (5): (July, 2007). 569.        [ Links ]

6. “PORTAL DE PORTICOS”. Servidor de la ULA: http://portaldeporticos.ula.ve; Servidor de la UCLA: http://mozart.ucla.edu.ve:8080/PDP        [ Links ]

7. Picón Ricardo, Quintero-Febres Carlos y Flórez-López Julio. “Modelo simplificado de daño para juntas viga plana-columna de concreto armado considerando el deslizamiento del refuerzo”. Revista Sul-Americana de Engenharia Estructural. ASAEE. 1(2): (Set/Dez 2004).        [ Links ]