Ingeniero Civil / La normativa chilena actual no considera en sus criterios de diseño las aberturas centrales a nivel basal en muros esbeltos de hormigón armado, siendo que este tipo de muros se realiza con frecuencia, ya sea por solicitudes de arquitectura o simplemente por condiciones de diseño. Es por ello que se torna de suma importancia su investigación y el análisis de su comportamiento. El presente trabajo de título estudia el impacto que generan las aberturas centrales a nivel basal en la estructura mediante un programa que realiza un análisis de elementos finitos no lineal. Se analizan una serie de muros esbeltos con diferentes dimensiones de la abertura sometidos a un análisis tipo pushover monotónico creciente para obtener la respuesta carga-deformación llegando a una deriva de techo del 2%. En total fueron analizados 99 muros, 10 muros con aberturas de diferentes tamaños (desde un piso de altura con ancho de 10% del ancho del muro hasta 3 pisos de altura con un ancho de 60% del ancho del muro), y un muro sin abertura. Estos 11 muros se realizaron para 3 relaciones de aspecto (RA=2.5, 5 y 7.5) y para 3 modelos diferentes. Con los datos obtenidos se estudia el comportamiento de cada uno de los muros, para lograr cuantificar el impacto que genera la abertura. En un comienzo se determina de qué manera afectan la cuantía y longitud de la armadura longitudinal de borde de la abertura en la formación y ubicación de la rótula plástica a lo alto del muro, luego se determina el impacto que genera la abertura en las deformaciones máximas por compresión y tracción. Para ello se busca un factor de amplificación que incluya el efecto del corte y el efecto de la abertura en las deformaciones obtenidas con modelos de flexión, a partir de muros continuos desde la base que se realizan en la etapa de diseño. Con estos resultados es posible determinar cuándo se debe utilizar la expresión o cuando simplemente es necesario considerar la abertura con un análisis de flexión (Modelo de fibras). Se entregan recomendaciones con el fin de facilitar la elección al momento de diseñar muros con abertura. Las expresiones obtenidas para estimar las deformaciones por compresión y tracción fueron calibradas para muros con aberturas de un piso y ancho de abertura de hasta un 60% del ancho del muro, los errores asociados a estas expresiones fueron 25% y 40% respectivamente, dichos errores corresponden a la variación porcentual promedio entre la curva calibrada y la curva obtenida con el programa. Si bien la expresión para las deformaciones por compresión es una buena estimación, se recomienda realizar un análisis de flexión tradicional considerando la abertura, ya que al comparar los resultados de todos los muros con abertura analizados con un modelo de flexión versus un modelo de flexión más corte, se tiene que el error asociado es de un 20%. Dado que el presente trabajo consiste sólo en el estudio de resultados analíticos, se pretende dar pie a una futura investigación experimental relacionada al tema.

En el presente trabajo se valida un modelo de interacción flexión-corte, el cual es una modificación del modelo tradicional de fibras uniaxiales, agregándole un resorte de corte a cada fibra del elemento, de manera que considera elementos de hormigón tipo panel, con comportamiento biaxial, para obtener la interacción flexión--corte deseada. El modelo se aplica a muros cortos de hormigón armado, con relación de aspecto alto/ancho menor igual a uno, en voladizo, sujetos a cargas laterales en su plano, y con carga axial nula. El objetivo principal de este trabajo consistió en validar la respuesta global, carga versus desplazamiento lateral superior, entregada por el modelo. Con este fin, se analizaron datos de la Universidad de Bogazici, Turquía, de siete ensayos realizados en muros cortos en voladizo y luego se procedió a la modelación de los mismos. Para ello, primero se caracterizaron los materiales usados en cada muro, y una vez definidas las leyes constitutivas fueron incorporadas a los modelos. En general, los resultados obtenidos son coherentes con lo observado en los ensayos, mostrando cambios en la respuesta dependiendo de las propiedades de los materiales y las cuantías de armadura de los muros. En comparación a los resultados de los ensayos, la capacidad máxima obtenida con el modelo de interacción flexión-corte muestra un error promedio de 8.9%, e igual a 20% en el caso más desfavorable, y una desviación estándar de un 7.5% con respecto al total de casos.

Los muros de hormigón armado (H.A.) son habitualmente usados como elementos estructurales resistentes para abordar demandas de rigidez y resistencia. Aquellos con baja relación de aspecto (menor a 2), denominados muros cortos, se caracterizan por un comportamiento controlado por corte, y por tanto presentan modos de falla frágiles y respuestas poco dúctiles. Para mejorar la representación y análisis de los muros de H.A., Massone et al. (2006) han propuesto una alternativa de análisis que consiste en un modelo de interacción corte-flexión que agrega ambas componentes de deformación en el comportamiento de paneles de H.A. incorporados en la formulación tradicional de elementos de fibra uniaxial apilados. El modelo de interacción propuesto ha sido previamente estudiado, mostrando una respuesta razonablemente buena en la predicción del comportamiento experimental de muros doblemente empotrados. Para extender su aplicabilidad a muros en voladizo, se toman en consideración los resultados de un programa experimental (once muros en voladizo) conducido por Terzioğlu (2011) en la Universidad de Bogaziçi, Turquía, y el cual forma parte del proyecto FONDECYT No.11080010. Este trabajo valida experimentalmente la capacidad de predicción del modelo en términos de la respuesta global (curva carga-deformación), las componentes de deformación interna y el uso de una expresión de expansión lateral de muros, calibrada por un modelo bidimensional de elementos finitos, que mejora la predicción del modelo de interacción. Por otro lado, se estudia el efecto de la carga axial en la respuesta de los muros según la predicción de los modelos de fibra en flexión y de interacción corte-flexión. Para el análisis del efecto de la carga axial se toman en consideración además, los resultados de un programa experimental realizado por Massone (2006) en UCLA. En general, la respuesta global del modelo de interacción muestra una buena correlación con los resultados experimentales tanto en rigidez como en la capacidad resistente y su degradación. Los resultados muestran una razón promedio entre la predicción y el registro experimental en capacidad (Vmod/Vexp) de 0.93 y en deformación al 10% de degradación de la capacidad (dmod/dexp) de 1.20, con coeficientes de variación de 0.07 y 0.38, respectivamente. Estos indicadores revelan que entrega una mejor predicción del comportamiento que la obtenida por el modelo de fibra en flexión pura o la aplicación del mismo modelo de interacción, pero sin la expresión calibrada de expansión lateral. El modelo predice, comúnmente, una adecuada distribución de las componentes de deformación interna del muro, con una participación alrededor del 75% de la componente de corte en el desplazamiento lateral de techo. Por otro lado, la expresión calibrada de expansión lateral es capaz de reproducir relativamente bien la forma del perfil de expansión y la magnitud de las deformaciones. Otra de las observaciones es que la predicción del modelo de interacción captura el aumento de capacidad y rigidez por efecto de la carga axial, como también lo hace el modelo de flexión. Evitando la sofisticación del modelo de interacción, se propone un análisis simplificado en flexión para la estimación de la sobrecapacidad. La comparación de esta metodología con la aplicación de las expresiones de diseño del código ACI318-08 revela que es capaz de reducir los errores en la estimación de la capacidad de carga lateral.

Ingeniero Civil / Los muros cortos de hormigón armado son usados comúnmente en estructuras las cuales necesitan tener resistencia a demandas sísmicas, es por esta razón que es necesario poder tener una herramienta que permita construir la respuesta carga-desplazamiento, y más importante aún que permita determinar la capacidad máxima que resiste el elemento estructural. En este trabajo se implementan modelos para predecir la capacidad al corte de muros cortos de hormigón armado mediante la formulación tipo panel. Esta formulación considera al muro de hormigón armado como un solo elemento, el cual representa el estado de deformaciones y tensiones promedio del muro corto. Se asume que la dirección principal de tensiones del elemento, es igual a la dirección principal de deformaciones con el fin de simplificar el análisis. Para representar el comportamiento de los materiales se utilizan leyes constitutivas recomendadas en la literatura, en el caso del hormigón se considera la degradación de la capacidad de compresión debido a las fisuras provocadas por la tracción en el hormigón. Para poder obtener la zona de degradación de la curva carga-desplazamiento, se modificaron las leyes constitutivas del acero de refuerzo distribuido vertical, agregando la descarga cíclica de éste con el fin de poder predecir la deformación en la cual comienza la degradación del muro Los modelos implementados se pueden diferenciar en dos categorías; (i) modelos con ángulo variable y (ii) modelos con ángulo fijo. En el primer caso, se considera que la dirección principal de tensiones y deformaciones (dirección de la falla), es variable para cada estado de desplazamiento, lo que genera inconsistencia en la predicción de la deformación del puntal de compresiones para niveles altos de deriva. Para los modelos con ángulo fijo se propone una dirección de falla fija la cual depende de la relación de aspecto y el nivel de carga axial. Esta dirección es obtenida, suponiendo el estado de deformación del elemento tipo panel mediante las calibraciones de expansión lateral (Massone, 2010) y expansión vertical del muro (utilizada en el trabajo de Villar, 2010). En términos de capacidad, los resultados de las comparaciones con la base de datos experimental de 252 ensayos revelan que los modelos con ángulo fijo tienen mejores predicciones que los modelos de ángulo variable. La razón promedio entre la capacidad predicha versus la capacidad experimental son valores cercanos a uno, y a su vez tienen un menor nivel de dispersión. Los valores promedios son iguales a: 0.77 para mod. ε_t y ε_L , 0.78 para mod. ε_t y σ_L=N/A 0.97 para mod. " α_((f_c=f_ct)) y 〖 σ〗_L=N/A", 0.87 para mod. " α_((f_c=〖0.5f〗_ct)) y 〖 σ〗_L=N/A", 0.85 mod. " α_((f_c=f_ut)) y 〖 σ〗_L=N/A". Las dispersiones fueron iguales a: 0.31, 0.28, 0.27, 0.24 y 0.24 respectivamente Se compara las repuestas globales predichas por los modelos de ángulo fijo con los datos experimentales, Terzioğlu (2011). Los modelos con ángulo fijo sobreestiman la deformación experimental, teniendo un nivel de dispersión no despreciable. Para muros con poca cuantía de refuerzo distribuido los modelos no logran capturar la respuesta carga-desplazamiento, sobreestimando de sobremanera la ductilidad del muro.

Ingeniero Civil / Estudios realizados por Stewart et al, 2007, y posteriormente por Lemnitzer et al, 2013, han mostrado que para una pila con restricción al giro en el cabezal (Fixed Head) los desplazamientos por esfuerzo de corte pueden llegar a contribuir en un 40% de los desplazamientos totales, a nivel de terreno, y sugieren que el efecto de corte influye en la determinación de curvas p y. De esta forma, se ha utilizado un modelo de interacción corte flexión para estimar el efecto del corte en la determinación de las curvas p y, modelo inicialmente propuesto por Massone et al, 2006, para el análisis de muros de H.A, extendiéndolo en este trabajo para el análisis de columnas. Dada la geometría de la pila, distintas versiones del modelo de interacción se han validado utilizando la respuesta global carga desplazamiento de ensayos de columnas circulares recopiladas de la base de datos de PEER, 2011, y de Kawashima Lab, 2011, estudiando la respuesta en términos de rigidez, capacidad máxima y desplazamiento al 10% de degradación de capacidad. Estos especímenes fueron seleccionados de forma de observar degradación por corte en la respuesta. Se ha encontrado buena correlación tanto en rigidez como en capacidad, teniendo valores de razón promedio entre el modelo y el ensayo de (V_mod⁄V_exp ) 0.91 para la capacidad máxima y de (K_mod⁄K_exp ) 1.3 para la rigidez, con coeficientes de variación de 0.09 y 0.18, respectivamente, usando el modelo de interacción con un perfil calibrado de deformaciones laterales o expansión (ε_x). Al estudiar la degradación, se ha observado buena correlación al utilizar una discretización en la dirección longitudinal con una razón diámetro largo del elemento (D⁄h_st ) igual a 2.0, obteniendo así un valor promedio de (δ_mod⁄δ_exp ) 0.86 con un coeficiente de variación de 0.38. El modelo de flexión, por su parte, entrega valores de (V_mod⁄V_exp ) igual a 1.1 y (K_mod⁄K_exp ) igual a 1.9. No se consideró el análisis de (δ_mod⁄δ_exp ) por no observar degradación en 6 de 10 casos a grandes deformaciones (δ_mod⁄δ_exp ≫2). Las curvas p y fueron determinadas para un ensayo de una pila Fixed Head, realizado por Stewart et al, 2007, utilizando un procedimiento de ajuste de la respuesta global de un modelo de flexión y a su vez de un modelo de interacción. Se utilizó la forma base de las curvas p y propuestas por API (1993) para una arcilla dura, como una respuesta trilineal. Los resultados muestran que para la curva p y ubicada en la superficie de terreno, la razón entre modelo de flexión e interacción es de (p_(u_Flex)⁄p_(u_inter) ) igual a 0.67 para la resistencia última y de (K_Flex⁄K_inter ) igual a 0.77 para la rigidez inicial. Los desplazamientos por corte contribuyen en un 35% de los desplazamientos totales, para un desplazamiento lateral de 3.0 in a nivel de terreno. Adicionalmente, se realizaron análisis de sensibilidad, en donde se determinó que el efecto de corte está concentrado entre la superficie de terreno y una profundidad de 2 diámetros (48 in) y además, se mostró que aumentando al doble la armadura transversal en esta zona se logra aumentar la capacidad en un 7%, para un desplazamiento de 3.0 in, y aumentar la ductilidad de la pila en un 50%. En este caso las deformaciones por esfuerzo de corte contribuyen en un 13% de los desplazamientos totales, para un desplazamiento lateral de 6.0 in, que es el punto en donde se observa degradación.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Ingeniería Sísmica. Ingeniero Civil / El terremoto del Maule de 2010 ocurrido en Chile dejó un gran número de edificios de las construcciones modernas con daños, éstos debido a requerimientos arquitectónicos, poseen discontinuidades del tipo bandera. Un muro bandera se produce cuando hay una extensión de la longitud del muro para los pisos superiores, es decir, a partir de cierta altura el largo del muro cambia, generando una abertura en los bordes de los edificios. El nivel de discontinuidad en la base no ha sido tratado experimentalmente y por lo tanto es necesario observar su impacto estructural. En esta investigación, se estudia experimental y analíticamente el comportamiento de muros esbeltos de hormigón armado tipo bandera frente a una carga axial constante y un desplazamiento lateral cíclico, para así poder comparar los resultados obtenidos con modelos de elementos finitos o modelos predictivos utilizados en trabajos anteriores. Para lograr llevar a cabo el estudio experimental, se dispone del laboratorio de estructuras recién construido que contempla un muro y losa de reacción, al que se diseñó y construyó un sistema restricción lateral y carga axial. Se construyen cuatro probetas de hormigón armado las cuales fueron diseñadas con una altura al punto de aplicación de la carga lateral de 2.8m, un espesor de muro de 15cm y una longitud de 90cm. Todos los ensayos son realizados bajo las mismas condiciones de carga axial constante y carga lateral cíclica aplicada a nivel de techo. Para la obtención de las deformaciones principales, se han instrumentado todos los muros a ensayar con strain gages, LVDT y fotogrametría. Los resultados experimentales muestran que el impacto de la abertura es relativamente bajo, dado que todos los muros tienen capacidad y deformaciones de techo similar, sin embargo la utilización de discontinuidad acelera la degradación, demostrando que los muros banderas, en especial el de mayor discontinuidad, fallan antes que el rectangular. Los modelos en elementos finitos realizados son capaces de capturar de buena forma la respuesta, mostrando la degradación y falla obtenida en los ensayos al incorporar un modelo de acero con pandeo, además el mayor efecto de discontinuidad tipo bandera se obtiene ejecutando modelos de muros con mayor relación de aspecto (edificios altos) con aberturas pequeñas, debido a la alta concentración de daño en la discontinuidad.

Magíster en Ingeniería Sísmica / Ingeniero Civil / Chile concentra un alto número de sismos a lo largo de su historia. Uno de los más fuertes en los recientes años ocurrió el 27 de Febrero del 2010 en la región del Maule. Entre los daños producidos por este fenómeno se detectan aplastamiento del hormigón, pandeo de barras de refuerzo longitudinal y fractura de estas mismas. Una unidad estructural común en las construcciones es el muro bandera. Éste elemento se define como un muro que, por diseños arquitectónicos, cambia de longitud entre pisos. El modo de falla de la mayoría de ellos se encuentra en el piso inferior. Se manifiesta a través de una grieta horizontal en el borde del muro. Algunos autores en la literatura desarrollan modelos predictivos para comportamientos de este tipo de elementos y los comparan con muros rectangulares. En ellos concluyen que cuando se presenta este tipo de unidad estructural sin discontinuidad tiene mayor resistencia que uno con perforación. Además, losn autores indican que, ante un mayor desplazamiento de techo, la rótula plástica se desarrolla en una mayor longitud, siempre y cuando sea contenida dentro del alto de la abertura. Según lo anterior, en esta tesis se comprueban dichas teorías a través de cuatro ensayos experimentales de muros de 2.65m de alto, 15cm de espesor y largo basal de 0.9m. En el primero, la probeta base es rectangular; mientras que, del segundo al cuarto, son tipo bandera con perforaciones de distinto tamaño. A través de fotogrametría, se rescatan los desplazamientos y deformaciones en coordenadas cartesianas del área comprendida por el muro. Para cada ensayo se describe el comportamiento global del ensayo. Luego de eso, se analiza el comportamiento de deformaciones de tracción en la fibra extrema, curvatura y deformación en las direcciones principales. Los resultados indican que aumenta el largo de la rótula plástica a medida que aumenta el nivel de deriva. Además, se enfoca en el sector de la abertura. Por otra parte, se capta una nueva discontinuidad creada por la armadura de refuerzo que bordea la abertura. En ella se concentran grandes deformaciones que, en el caso de la probeta 4, definen la zona de falla. Esta anomalía se muestra para los tres casos de muros bandera acentuándose en el último. Su comportamiento hace relación a que el largo de desarrollo de la barra es menor y no se logra total adherencia entre el hormigón y el acero. Finalmente, se propone un modelo puntal-tensor para cada sentido de la carga lateral. En éstos, se logra interpretar los modos de falla. A su vez, al comparar con fotogrametría, las deformaciones de las barras horizontalmente distribuidas y los refuerzos de borde son consistentes con el nivel de deriva cuando las barras entran en fluencia. También interpreta adecuadamente el efecto de la barra discontinua. En este caso, para la probeta 4 identifica la mayor solicitación en ese punto.

Ingeniero Civil / En la práctica constructiva actual se ha hecho frecuente el uso de muros esbeltos con secciones compuestas o complejas, entre los cuales se encuentran los muros T, que constituyen el objeto de estudio de la presente memoria. Específicamente se estudia en forma analítica el efecto que tiene el confinamiento y la cuantía de borde en el comportamiento de este tipo de muros ante la aplicación de una carga pushover, para lo cual se trabaja con el programa SAFE-Toolbox, el cual corresponde a una plataforma de elementos finitos que permite estimar la respuesta de un elemento estructural ante la aplicación de una determinada carga. En primer lugar, se valida el elemento tipo shell con capas mediante la comparación con experimentos disponibles en la literatura. Luego, se recopila información sobre las características más frecuentes que se pueden encontrar en los muros de sección transversal T de los edificios chilenos (enfocándose en la Región Metropolitana), de modo de generar una base de datos lo suficientemente robusta para desarrollar un montaje experimental: definiendo dimensiones de las probetas, armadura, cuantías de borde, etc. Finalmente, se desarrollan modelos numéricos de muros T en el programa SAFE-Toolbox para estimar analíticamente los resultados que se pudieran obtener del experimento.

Ingeniero Civil / Los muros de hormigón armado con discontinuidades a nivel basal son bastante comunes en edificaciones chilenas. Estas discontinuidades afectan directamente en cómo se traspasan los esfuerzos ante eventuales solicitaciones, al no tener una sección transversal regular, la hipótesis de bernoulli de secciones planas no es apropiadas, ya que la discontinuidad genera una variación en el flujo de cargas la cual invalida la hipótesis; es por esto que surge la necesidad de estudiar el comportamiento de este tipo de muros frente a acciones sísmicas con más detalle. La presente memoria tiene por objetivo principal la construcción y ensayo de cuatro probetas de muros a escala de hormigón armado con una abertura en su base, tres de ellos son muros rectangulares y uno tiene además losas en el sector de la abertura, de manera de aumentar la rigidez en esa zona y considerar este efecto en futuros análisis. Adicionalmente se realiza un modelo tipo puntal-tensor de una de las probetas y se realiza una comparación respecto a los resultados que se obtienen experimentalmente del ensayo. El ensayo consiste en inducir sobre cada muro a través de un actuador hidráulico una carga pseudocíclica en su parte superior, así como también una carga axial constante del 10% de la resistencia nominal a compresión del hormigón, y observar cual es su comportamiento en cuanto a deformaciones y esfuerzos resultantes dado el tamaño de la abertura presente en su base. Se compara la respuesta de los muros y sus capacidades de deformación respecto a una probeta base sin discontinuidades. El muro con la abertura más pequeña es la que menor impacto genera en la respuesta de la probeta, así mismo, la abertura más grande es la que mayor impacto genera, disminuyendo considerablemente las capacidades de carga y deformación de la probeta respecto a la probeta base. Además se logra que las tensiones registradas experimentalmente sean consistentes con las teóricas obtenidas con un modelo tipo puntal-tensor.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Ingeniería Sísmica. Ingeniero Civil / Este estudio resume los resultados de un estudio analítico de Muros de Hormigón Armado (MHA) chatos y esbeltos, con y sin aberturas. El objetivo principal de este estudio es evaluar el efecto de aberturas y del pandeo de las barras longitudinales en MHA, modelando probetas experimentales disponibles en la literatura, y realizando variaciones paramétricas relevantes. Para lograr este objetivo, el presente estudio mejora la representación uniaxial de la curva tensión-deformación del acero en el elemento de membrana propuesto por Rojas [1], incorporando el modelo del pandeo en barras longitudinales propuesto por Massone y Moroder [2]. La exactitud de la técnica del modelamiento del elemento mejorado es corroborada, comparando simulaciones con datos experimentales de MHA disponibles en la literatura. Finalmente, se incorporan a nivel paramétrico diferentes aspectos como tipo de muro (sólido o con abertura), razón de aspecto, nivel de carga axial, cuantía de borde, deriva inicio de techo, y razón entre longitud libre y diámetro de la barra (relación L/d), de manera de ampliar el espectro de resultados. Resultados indicaron que el elemento mejorado fue capaz de reproducir los resultados y formas de falla experimentales, incluso en los casos con abertura. En general, el efecto del pandeo no causó mayor impacto en la respuesta global de muro para una relación L/d menor a 6, tanto en muros sólidos como en muros con abertura en el borde. Sin embargo, para L/d > 6 el pandeo produjo un impacto significativo en la ductilidad global de muro. Por otra parte, los resultados del modelo mostraron que la abertura, localizada en el borde sobre la base de muro, causó un impacto en la pérdida de capacidad por desplazamiento global de muro. Sin embargo, la pérdida de la capacidad por desplazamiento causada por la abertura está condicionada por dos parámetros: razón altura y largo de muro (hw/lw), y razón largo y espesor de muro (lw/tw). En la medida que la razón hw/lw disminuye, y la razón lw/tw aumenta, la abertura causa un impacto menor en la capacidad por desplazamiento global de muro, ya que el comportamiento inelástico de muros muy chatos (hw/tw < 2) está limitado por poseer una elevada resistencia a la flexión, por lo cual, la ductilidad está restringida; mientras que muros delgados (lw/tw > 12) tienen poca resistencia a las tensiones de corte, por lo cual, la ductilidad también está restringida.