Efectos de los esfuerzos cortantes biaxiales en la respuesta sísmica de columnas de hormigón armado
Authors:   , Osorio Bustamante Edison 
Published: July 2023

Durante un terremoto, las columnas de hormigón armado pueden verse sometidas a movimientos bidireccionales que pueden afectar su capacidad resistente y ductilidad. Sin embargo, las normas de diseño y evaluación sísmica no aportan recomendaciones explícitas para cuantificar el comportamiento de las columnas bajo dichas cargas. Esta investigación busca contribuir al análisis y cuantificación de los efectos de los esfuerzos cortantes biaxiales en la respuesta sísmica de columnas de hormigón armado.
Con este objetivo, se realizó una recopilación del estado del conocimiento orientado a la revisión de los estudios experimentales y las estrategias de modelización numérica disponibles. De los estudios experimentales se concluyó que las columnas bajo cargas laterales bidireccionales ven reducida su capacidad resistente y ductilidad en comparación a las cargadas en una dirección. La deformación lateral del hormigón bajo cargas de compresión se ha estudiado pero no se encontró un modelo de su comportamiento bajo cargas cíclicas.
En esta investigación, se estudió el comportamiento de la deformación lateral del hormigón mediante la ejecución de una primera campaña experimental en probetas cilíndricas de hormigón con cargas de compresión uniaxial cíclica. Con este estudio se aportaron curvas experimentales de tensión - deformación longitudinal y lateral con carga monótona y cíclica en hormigones de resistencia normal y alta. A partir de la interpretación de los datos experimentales, se propuso un modelo conceptual del comportamiento de la deformación lateral del hormigón.
De forma paralela, se revisó y estudió el comportamiento de la deformación lateral del hormigón en un estado en compresión triaxial con base en resultados experimentales publicados en la literatura. Con las conclusiones de este estudio y el modelo conceptual en compresión uniaxial, se formuló un modelo analítico de la dilatancia del hormigón en compresión cíclica que se implementó en una ecuación constitutiva 3D. Los resultados se verificaron con los datos experimentales del hormigón en diferentes estados de compresión triaxial y diferentes materiales de confinamiento.
Con la finalidad de alcanzar el objetivo general de la investigación, se diseñó, implementó y ejecutó una segunda campaña experimental en columnas con cargas unidireccionales y bidireccionales. Diez columnas circulares de hormigón armado se diseñaron y fabricaron con una disposición de armadura transversal insuficiente para que presentaran un nivel de ductilidad baja a media y un fallo por un mecanismo de cortante-flexión. Cuatro de estas columnas, fueron encamisadas con polímeros reforzados con fibras; dos con fibra de carbono (CFRP) y dos con fibra de aramida (AFRP). En los ensayos bajo carga bidireccional, la demanda de deformación en la armadura transversal fue mayor respecto al de carga unidireccional debido a que las deformaciones por esfuerzos cortantes y por la acción de confinamiento se acumulan. Las columnas con menor cuantía de armadura transversal y menor cuantía de FRP presentaron un incremento de la longitud de la rótula plástica.
Dentro de esta investigación, se realizaron análisis de las columnas ensayadas con modelo seccional TINSA(Total-Interaction-Nonlinear-Section). El modelo seccional representa el decremento de resistencia y ductilidad y la mayor deformación de los cercos que se presentó en los experimentos con cargas bidireccionales.
Por último, los efectos de los esfuerzos cortantes se analizaron a nivel material, seccional y de elemento. Se derivaron expresiones analíticas para considerar los efectos de los esfuerzos cortantes en el diagrama tensión-deformación del hormigón, la relación momento - curvatura y la longitud de la rótula plástica. Las expresiones analíticas encontradas se usaron en un modelo de análisis de rótula concentrada para obtener la curva de capacidad de la columna. Los resultados del modelo se corroboraron con los resultados experimentales de esta investigación.
During an earthquake, reinforced concrete columns may be subjected to bi-directional displacements undermining their strength and ductility. However, the current codes for the seismic design and assessments of structures do not provide explicit provisions for the quantification of the effects of biaxial shear forces on the seismic response of reinforced concrete columns. This investigation is aimed at contributions to the analysis and quantification of the effects of biaxial shear forces on the seismic response of reinforced concrete columns.
With this purpose, a state of the art review about the available experimental studies and numerical modeling strategies was performed. From the experimental studies, it is concluded that both the strength and ductility of the columns subjected to biaxial shear forces are reduced with respect to those subjected to uniaxial shear forces. The lateral deformation of concrete under compressive loads has been studied but has not formulated a model of its behavior under cyclic loading.
In this research, a first experimental program on cylindrical concrete specimens subjected to cyclic compression was carried out in order to study the lateral deformation behavior. Experimental longitudinal stress- longitudinal and lateral strain curves, under monotonic and cyclic loading were provided, for normal and high strength concrete specimens. A conceptual model of the lateral behavior of concrete was proposed since interpretation of experimental data.
Subsequently, the lateral behavior of concrete under a triaxial compression stress was reviewed and studied based on the experimental results available in the literature. Based on conclusions findings and using the conceptual model for uniaxial compression, an analytical model for the dilatancy of concrete under cyclic compression was formulated, which incorporate the above mentioned phenomena. The model was implemented into a 3D constitutive equation and their results were verified with experimental results under different triaxial stress states and different confinement materials.
With the purpose of reaching the general objective of the investigation, a second experimental program on columns subjected to uniaxial and biaxial lateral forces and axial load was performed. Ten reinforced concrete circulars columns were designed and built, with an inadequate transverse reinforcement arrangement, providing insufficient ductility level so that a shear-flexure failure mechanism would take place. With the purpose of studying the behavior of strengthened columns under biaxial loading, four specimens were wrapped with carbon fiber reinforced polymers (FRP): two with carbon fiber (CFRP) and two with aramid fiber (AFRP). Under cyclic biaxial shear loading, the demand of strains in the transverse reinforcement was bigger than uniaxial loading because the strain by shear and the action of confinement were accumulated. The columns with smaller transverse reinforcement ratios and smaller FRP ratios showed increase of plastic hinge length.
In this investigation, sectional analyses of the experimental behavior of the columns tested were performed with TINSA (Total-Interaction-Nonlinear-Section). The sectional model reproduces the decrement of strength and ductility as well as the greater strain in the hoops that was experimentally observed under biaxial tests.
Finally, the effect of shear forces was analyzed at the material, section and structure levels. Analytical expressions were derived to consider the influence of the shear forces on the concrete stress-strain relationships, moment-curvature diagrams and on the plastic hinge length. The obtained analytical expressions were used in an analysis model of concentrated plastic hinges in order to obtain the capacity curve of the column. The model results were validated by comparing them satisfactorily with the experimental results presented in this investigation.