Pared de corte de placa de acero

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

Constituyen un SPSW. ^{[ 1 ]} 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 posterior al pandeo de los paneles de relleno de acero. Un pórtico SPW puede idealizarse como una viga de placa vertical en voladizo , en la que las placas de acero actúan como el alma, las columnas como las alas y las vigas transversales como 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 consiste en controlar las fallas en un edificio mediante la preselección de fusibles dúctiles localizados (o puntos débiles) que actúan como el lugar principal de disipación de energía cuando un edificio se somete a cargas extremas. La estructura se diseña de manera que toda la acción inelástica (o daño) ocurra en estos puntos críticos (los fusibles), los cuales están diseñados para comportarse de manera dúctil y estable. Por el contrario, todos los demás elementos estructurales están protegidos contra fallas o colapso al limitar la transferencia de carga a estos elementos a la capacidad de fluencia de los fusibles. En los SPSW, las placas de relleno están diseñadas para servir como elementos fusibles. Cuando se dañan durante un evento de carga extrema, pueden reemplazarse a un costo razonable y restaurar la integridad total del edificio . En general, los SPW se clasifican según su desempeño, la selección de sistemas estructurales y portantes, y la presencia de perforaciones o rigidizadores (Tabla 1).

Se ha realizado una cantidad significativa de investigación valiosa sobre el comportamiento estático y dinámico de los SPSW. Gran parte de la investigación se ha llevado a cabo no solo para ayudar a determinar el comportamiento, la respuesta y el rendimiento de los SPW bajo cargas cíclicas y dinámicas, sino también para contribuir al avance de las metodologías de análisis y diseño para la comunidad de ingeniería.

El trabajo pionero de Kulak y sus co-investigadores en la Universidad de Alberta en Canadá condujo a un método simplificado para analizar un SPSW delgado sin rigidizar: el modelo de tira. ^{[ 2 ]} Este modelo está incorporado en el Capítulo 20 de la norma canadiense de diseño de acero más reciente ^{[ 3 ]} (CAN/CSA S16-01) ^{[ 4 ]} y en las disposiciones del Programa Nacional de Reducción de Riesgos Sísmicos (NEHRP) en los EE. UU.

Tabla 1. Categorización de muros de placas de acero según características de rendimiento y expectativas ^{[ 1 ]}

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 numerosos edificios de Japón y Norteamérica como parte del sistema de resistencia a fuerzas laterales . Inicialmente, los SPSW se trataban como vigas de placa orientadas verticalmente y los procedimientos de diseño tendían a ser muy conservadores. El pandeo del alma se prevenía mediante un rigidizador extenso o seleccionando una placa de alma de espesor adecuado, hasta que se dispuso de más información sobre las características posteriores al pandeo de las placas de alma. Si bien la teoría de la viga de placa parece apropiada para el diseño de una estructura SPW, una diferencia muy importante radica en la resistencia a la flexión y la rigidez relativamente altas de las vigas y columnas que forman los elementos de borde del muro. Se espera que estos elementos tengan un efecto significativo en el comportamiento general de un edificio que incorpore 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 alma bajo cargas cíclicas extremas han planteado la posibilidad de utilizar los SPSW como una alternativa prometedora a los sistemas convencionales en regiones sísmicas de alto riesgo. Otra ventaja es que el campo de tensión diagonal de la placa del alma actúa como un arriostramiento diagonal en un marco arriostrado y, por lo tanto, completa la acción de la celosía, que se sabe que es un medio eficaz para controlar la deriva del viento.

Desde el punto de vista del diseñador, los muros de placas de acero se han convertido en una alternativa muy atractiva a otros sistemas de acero, o para reemplazar los núcleos de ascensores y muros de corte de hormigón armado . En estudios comparativos se ha demostrado que los costos totales de un edificio pueden reducirse significativamente al considerar las siguientes ventajas: ^{[ 5 ]}

• Un sistema SPW, cuando se diseña y detalla adecuadamente, tiene una capacidad de disipación de energía relativamente grande con un comportamiento histerético estable, lo que lo hace muy atractivo para zonas de alto riesgo sísmico.
• Debido a que el campo de tensión de la red actúa de forma muy similar a un refuerzo diagonal, un sistema SPW tiene una rigidez inicial relativamente alta y, por lo tanto, es muy eficaz para limitar la deriva causada por el viento.
• En comparación con los muros de corte de hormigón armado, los muros de corte reforzados con placas son mucho más ligeros, lo que en última instancia reduce la exigencia sobre las columnas y los 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, un factor importante que afecta al coste total del proyecto.
• Mediante el uso de tuberías prefabricadas soldadas en taller y atornilladas en obra, se mejora la inspección en campo y se puede lograr un alto nivel de control de calidad.
• Para los arquitectos, la mayor versatilidad y el ahorro de espacio que ofrecen los muros de corte SPW, gracias a su menor sección transversal en comparación con los muros de corte de hormigón armado, suponen una clara ventaja, especialmente en edificios de gran altura, donde los muros de corte de hormigón armado en las plantas inferiores se vuelven muy gruesos y ocupan una gran proporción de la superficie de la planta .
• La construcción totalmente de acero con muros de contención reforzados con acero es una solución práctica y eficiente para regiones frías donde la construcción con hormigón puede no ser factible, ya que las temperaturas muy bajas complican la construcción y los ciclos de congelación y descongelación pueden provocar problemas de durabilidad.
• En aplicaciones de refuerzo sísmico , los muros de contención reforzados con elementos estructurales (SPW) suelen ser mucho más fáciles y rápidos de instalar que los muros de corte de hormigón armado, lo cual es fundamental cuando se necesita mantener la ocupación del edificio durante todo el proceso de construcción.
• En caso de respuesta inelástica, los paneles de acero se reemplazan con mayor facilidad y las reparaciones son, por lo demás, más sencillas que en el caso de sistemas equivalentes de hormigón armado.

En comparación con los sistemas de arriostramiento convencionales, los paneles de acero presentan la ventaja de ser un sistema redundante y continuo 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 arriostramientos de tensión para mantener la estabilidad, convierte a los paneles de acero prefabricados (SPW) en un sistema ideal de disipación de energía en regiones sísmicas de alto riesgo, a la vez que proporcionan un sistema eficiente para reducir la deriva lateral. Por lo tanto, algunas de las ventajas de utilizar paneles de acero prefabricados en comparación con los sistemas de arriostramiento convencionales son las siguientes:

• Reduce la demanda de fuerza sísmica debido a las características de ductilidad más elevadas de SPW y a la redundancia y continuidad inherentes.
• Acelera el montaje de estructuras de acero mediante el uso de paneles de acero soldados en taller y atornillados en obra, lo que reduce los costos de inspección y control de calidad.
• Permite el diseño eficiente de sistemas de resistencia lateral mediante la distribución uniforme de grandes fuerzas.

Un elemento de cortante de placa de acero consta de placas de relleno de acero delimitadas por un sistema de columnas y vigas. Cuando estas placas de relleno ocupan cada nivel dentro de un vano de una estructura, constituyen un SPW. 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 posterior al pandeo de los paneles de relleno de acero. Un pórtico SPW puede idealizarse como una viga de placa vertical en voladizo, en la que las placas de acero actúan como alma, las columnas como alas y las vigas transversales¹ representan los rigidizadores transversales. La teoría que rige el diseño de vigas de placa para edificios propuesta por Basler en 1960, ^{[ 6 ] [ 7 ]} 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 comportamiento posterior al pandeo. Sin embargo, la teoría de Basler podría utilizarse como base para derivar un modelo analítico para sistemas SPW.

Los diseñadores pioneros en el uso de SPW no contaban con mucha experiencia ni datos existentes en los que basarse. Por lo general, el diseño de la placa del alma no consideraba el comportamiento posterior al pandeo bajo esfuerzo cortante, ignorando así la ventaja del campo de tensión y sus beneficios adicionales para el control de la deriva y la resistencia al corte. Además, no se había utilizado la capacidad de deformación inelástica de este sistema altamente redundante, 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 estudiar más de cerca el comportamiento de los SPW fue Kulak, de la Universidad de Alberta . Desde principios de la década de 1980, su equipo llevó a cabo investigaciones analíticas y experimentales centradas en el desarrollo de procedimientos de diseño adecuados para la elaboración de normas de diseño (Driver et al., 1997, Thorburn et al., 1983, Timler y Kulak, 1983, y Tromposch y Kulak, 1987). ^{[ 8 ]} Investigaciones recientes en los Estados Unidos por Astaneh (2001) respaldan la afirmación de la academia canadiense de que el comportamiento posterior al pandeo de una placa sin refuerzo actúa como un sistema capaz de resistir el corte.

Existen dos técnicas de modelado diferentes:

• Modelo de tira
• Modelo de interacción placa-estructura modificado (M-PFI)

El modelo de tiras representa los paneles de corte como una serie de elementos de tira inclinados, capaces de transmitir únicamente fuerzas de tracción y orientados en la misma dirección que las tensiones principales de tracción promedio en el panel. Al reemplazar un panel de placa con puntales, la estructura de acero resultante puede analizarse utilizando software de análisis informático comercial disponible actualmente. Una investigación realizada en la Universidad de Columbia Británica por Rezai et al. (1999) demostró que el modelo de tiras es significativamente incompatible e impreciso para una amplia gama de configuraciones de paneles de corte.

El modelo de franjas se limita principalmente a muros de corte con placas delgadas (baja capacidad crítica de pandeo) y ciertas relaciones. ^{[ 9 ]} En el desarrollo de este modelo, no se ha proporcionado ninguna solución para muros de corte perforados, muros de corte con placas de acero gruesas ni muros de corte con rigidizadores. El concepto del modelo de franjas, si bien es 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 a los programas informáticos de análisis de uso común.

Para superar esta limitación, se desarrolló un método general para el análisis y diseño de muros de contención de acero (SPW) en diferentes configuraciones, incluyendo muros con o sin aberturas, con placas delgadas o gruesas, y con o sin rigidizadores. ^{[ 10 ]} 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 presenta serias deficiencias cuando se requiere considerar adecuadamente el comportamiento a flexión de un SPSW, como en el caso de un edificio alto y esbelto.

El modelo de interacción placa-marco modificado (M-PFI) se basa en un modelo de cortante existente presentado originalmente por Roberts y Sabouri-Ghomi (1992). Sabouri-Ghomi, Ventura y Kharrazi (2005) refinaron aún más el modelo y lo denominaron modelo de interacción placa-marco (PFI). En este artículo, el modelo analítico PFI se mejora aún más mediante la "modificación" del diagrama carga-desplazamiento para incluir el efecto de los momentos de vuelco en la respuesta SPW, de ahí el nombre del modelo M-PFI. ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]} El método también aborda las interacciones de flexión y cortante de la capacidad plástica última de los paneles de acero, así como las interacciones de flexión y cortante de la resistencia de fluencia última para cada componente individual, es decir, la placa de acero y el marco circundante.

• Pandeo
• Estructuras resistentes a los terremotos
• Viga de acero

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