presentación muros hibridos 05-04-14

5/25/2018 Presentaci n Muros Hibridos 05-04-14

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MUROS HBRIDOS DE CONCRETO

PREFABRICADO POSTENSADO

Cristopher Peralta Nez

Edwin Peralta Nez


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Sistema de Muros Hbridos

El sistema de muros hbridos de concretoprefabricado, es un sistema de murosespeciales a cortante, formado por panelesrectangulares prefabricados los cuales seconectan por juntas horizontales.

El trmino hbrido significa la combinacinde acero convencional (E.D, acero disipador de

energa ) y acero presforzado (PT, aceropostensado no adherido).


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La fuerza de postensionamiento, en combinacin con lascargas gravitacionales actuantes en el muro, proporciona alsistema una capacidad de auto-centrado, mientras que lasbarras de acero convencional que cruzan la junta base sondiseadas para fluir y disipar energa, creando as unaestructura mas eficiente en comportamiento

sismorresistente . Para prevenir las aberturas en las juntas superiores de

panel-a-panel, una pequea cantidad de barras de aceroconvencional (no presforzado) con longitudes cortas no

adheridas, diseadas para permanecer en el rango elstico-lineal, son ubicadas en los extremos del panel a como semuestra en la Fig. 1.


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Fig. 1 Sistema de muro hbrido (Smith, Kurama & McGinnis, 2012)


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El uso de los tendones postensados no adheridos reducelas deformaciones de los torones as como los esfuerzos detensin transferidos al concreto, elongndose los tendonesbajo carga lateral (as, previniendo o dilatando la fluenciade los torones y reduciendo el agrietamiento del concretoen los paneles de muro).

Adems, los tendones son ubicados cerca de la lnea centraldel muro (es decir, a la mitad de la longitud del muro) paraminimizar las elongaciones de los torones y mantener lostendones fuera de las regiones crticas, en este caso sera la

regin de concreto confinado que estn ubicadas en lasesquinas del muro, ya que los mismos no trabajan acompresin.


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Clasificacin de un Muro Hbrido Postensado

Fig. 2 Filosofas y maneras de disear las estructuras de concreto

prefabricado segn el ACI 318-11

Sistemas

prefabricadossismorresitentes

Emulativo

Marcosresistentes a

momento

Especiales

Conexinfuerte 21.8.3

Conexindctil 21.8.2

Murosestructurales

Especiales

Conexindctil

21.10.2

Intermedios

Conexindctil 21.4

Noemulativo

Marcosresistente amomento

Especiales21.8.4

murosestructurales

Especiales21.10.3


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Clasificacin de Conexiones Hbridas

Se clasifica como conexiones hmedas a aquellas que hacenuso de los mtodos de unin de refuerzo especificados por elACI 318-08. segn las secciones 12.14, 12.15, 12.16, 12.17,12.18 y 12.19 del ACI 318-08. Es decir traslapes o conectores(empalmes) mecnicos (seccin 21.1.6 del ACI 318-11) queemplean concreto colado in situ o mortero para llenar losvacos existentes entre los aceros de refuerzo. En la Fig. 3 semuestran algunos empalmes/conectores mecnicos

empleados en las conexiones hmedas.


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Fig. 3 Algunos empalmes/conectores mecnicos empleadosen las conexiones hmedas (Tsis Monogrfica ConexionesSismorresistentes en Marcos de Prefabricados de Concreto.

Humberto Mendoza & Jos Garca, UNI-NIC. 2014)


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Se clasifica como conexin dctil, debido a que se

deforma mas all del rango elstico manteniendo unarigidez y resistencia aceptable. Al mismo tiempo, escapaz de absorber energa al deformarse en el rangoinelstico. Este tipo de conexin es capaz de sostenerdeformaciones post-fluencia de manera que el centro de

la accin no lineal se encuentra en la junta base, es decir,la conexin en s es la que sirve como amortiguador(disipacin de energa mediante las barras de acero E.D),mientras que el resto del elemento permanece en el

rango elstico.


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Niveles de Comportamiento

Fig. 4 Deformaciones: debido al cortante (izquierda) y debidoa la flexin (derecha) (ACI ITG-5.1-07)


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Fig. 5 Deformacin debido a la extensin del refuerzodisipador de energa en la junta base (ACI ITG-5.1-07)


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Deformaciones inesperadas a lo largo de las

Juntas Horizontales

Fig. 6 Exceso de aberturas que abre entre paneles (izquierda).Deslizamiento por cortante (derecha) (ACI ITG-5.1-07)


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Materiales Utilizados

El sistema de muro recibe el nombre de hbridopor el uso de dos

tipos de acero para lograr la unin entre la fundacin y el muro:Acero Postensado Grado 270 y Acero Convencional grado 65. Esanlogo a la unin viga-columna (Tsis Monogrfica ConexionesSismorresistentes en Marcos Prefabricados de Concreto. HumbertoMendoza & Jos Garca, UNI-NIC. 2014).

Concreto de alta resistencia =6,000 . Existen ductos para el acero postensado y convencional para la

unin o interfaz fundacin-muro (junta base) y para el anclaje del

refuerzo especial. Es importante destacar que dentro del grupo deacero convencional existen dos sub-tipos de acero con distintasfunciones, estos son: Refuerzo especial (Grado 65) y refuerzoordinario (Grado 60).


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Acero Postensado Proveer el mayor porcentaje de resistencia a momento

del muro. Brindar una fuerza de anclaje en la junta base lo

suficientemente grande para resistir las fuerzas cortantesque se generan en la misma debido a las cargasgravitacionales y laterales (sismo).

Proporciona al muro lacapacidad de recentrado.

Da continuidad entre lafundacin y el panel base,(tambin entres los panelessuperiores).

Fig. 7 Detalle tpico de un torn


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Acero Convencional

Refuerzo especialEl refuerzo especial posee las siguientes funciones:

Proveer una porcin de la resistencia a la flexin del muro yde la conexin (junta base).

Disipar energa al alcanzar el lmite de fluencia de maneraalternada, en tensin y comprensin, durante un eventossmico.

Actua como sistema de reserva contra el colapso en el casopoco probable de que el anclaje del tendn de postensadofalle o que se fracture.

Brinda continuidad adicional entre el panel base y lafundacin, y permitir que no ocurran aberturas exageradasdeabre y cierreen la junta base.


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Refuerzo ordinario

El refuerzo ordinario proporciona las siguientes funciones:

Servir de soporte para los estribos durante la construccin delos paneles del muro.

Proporcionar la suficiente resistencia al muro para que stasea capaz de soportar su propio peso hasta que se le apliquela fuerza de postensado.

Limitar la fisuracin del concreto bajo cargas de servicio,cuando los esfuerzos en ste, alcancen el mdulo de rupturadel concreto.


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Ductos para el acero postensado Las funciones de ste son simples: proporcionar acceso al

tendn postensado (multi-torones), y servir como aislantepara que el tendn permanezca no adherido al concreto.

Grout Para la junta base

El grout o lechada para la junta base facilita el margen detolerancia necesario para la ereccin/construccin delsistema.

Para el anclaje del refuerzo especial

Este grout tiene como funcin permitir que el refuerzoespecial se ancle en los ductos que yacen tanto en losextremos del panel base como en el cuerpo de la fundacin.


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Ventajas del Muro Hbrido Postensado

Adems de poseer todas las ventajas que brindan las estructurasde concreto prefabricado (como mayor control de calidad,rapidez de construccin, etc.) el sistema hbrido postensadopresenta muchas ventajas con respecto a las estructurasconvencionales de concreto monoltico.

Menor refuerzo transversal (estribos). Tanto el muro como laconexin (ambos hbrido postensado) requieren menorcantidad de refuerzo transversal que los muros y conexionesrealizadas de concreto monoltico, lo cual significa unareduccin en los costos. En sntesis, la disminucin delrefuerzo transversal es debido a la presencia de la fuerza decompresin ejercida por el refuerzo postensado.


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Desplazamientos residuales nulos o mnimos. Una de las

principales caractersticas de los muros hbridospostensados es que una vez que los desplazamientoslaterales producidos por el sismo de diseo cesen, laestructura regresar a su posicin original no deformada(propiedad de auto-centrado), removiendo as cualquier

desplazamiento residual y cerrando las grietas que se hayanabierto debido a la accin del sismo de diseo. En la Fig. 8se puede observar que el muro bajo carga cclica reversibleregresar a su inicial no desplazada.


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Fig. 8 Grfico fuerza-desplazamiento en forma de bandera,propia de los muros hbridos postendos.Medido (izquierda), Idealizado (derecha).

(Rahman & Restrepo, 2000)


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Menos dao al concreto

Capacidad de deriva de reserva

Menor demanda de los efectos P-

Facilidad de construccin


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Fig.9 Respuesta estructural bajo cargas laterales de un muro de concreto

convencional y un muro hbrido postensado (Len Agero, 2011)


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Aplicaciones de los Muros HbridosPostensados

Fig.10 Sistema dual hbrido postensado.Centro Comercial de 11,000 m2, Costa Rica (Len Agero, 2011)


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Fig.11 Edificio construido en Santiago de Chile. Sistema dual hbridopostensado. (Len Agero, 2011)


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Validacin de Muros Hbridos por Ensayosde Laboratorio

El Captulo 21 del ACI 318-11 condiciona que:

Un sistema estructural de concreto reforzado queno cumpla los requisitos de dicho captulo ser

permitido si ste es demostrado por anlisis yevidencia experimental que el sistema propuestotendr resistencia y rigidez igual o mayor a aquellosproporcionados por una comparable estructura

monoltica de concreto reforzado convencional elcual cumple el captulo mismo.


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El sistema de muros hbridos de concretoprefabricado investigado por el Profesor (PhD)Yahya Kurama (Universidad de Notre Dame,Indiana) no cae en la categora de emulativo,as que requiere de anlisis y validacin

experimental previo a su uso en la prctica. La ruta para el ensayo experimental y

valoracin del comportamiento de estos tipos

de estructuras es proporcionada por el ACIITG-5.1-07


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ACI ITG-5.1 hace referencia al ACI ITG-5.2-09 para losrequerimientos de diseo de los muros hbridos

postensados.

ACI ITG-5.1 tambin proporciona requerimientos parael diseo de la configuracin caractersticas globales delos especmenes de ensayo:

(1) un mnimo de dos paneles de muro

(2) una escala mnima de la longitud del espcimen de 1/3;(3) una razn mnima de aspecto altura-a-longitud del murode 0.5;

(4) el uso de similares detalles de reforzamiento y

materiales representativos del edificio en los especmenesde ensayo Y en la estructura a escala total.


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Fig. 12 Configuracin de ensayo: (izquierda) Esquema de los especmenes Hbridos;(derecha) Esquema de un espcimen Emulativo (Smith, Kurama & McGinnis, 2012)


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Fig. 13 Capa de reforzamiento: Panel base y panel superior para HW(Smith, Kurama & McGinnis, 2012)


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Fig. 14 (izq) Ubicacin de las barras en HW; (der) Ubicacin de las barras en EW(Smith, Kurama & McGinnis, 2012)


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Mtodo de Diseo de un Muro Hbrido Mtodo basado en fuerza (FBD).

1. Estimacin estructural de lasdimensiones

2. Clculo de rigidez de los elementos

3. Estimacin del periodo natural de laestructura

4. Determinacin de Q Y

5. Seleccionar la aceleracin espectral reducida

6. Clculo de fuerzas ssmicas

7. Anlisis estructural bajo fuerzas

ssmicas

8. Diseo de la zona de la articulacin plstica

9. Chequeo de Desplazamiento

10. Si no cumple revisar rigidez del punto 211. Si cumple Calcular demanda/capacidad del

momento y cortante


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Herramientas Analticas para el Diseo

de Muros Hbridos

(1) modelo rigidez efectiva elstico-lineal.puede ser utilizado acompaado delprocedimiento de Fuerza Lateral Equivalente

del RNC-07 (Esttico Equivalente). (2) un modelo simplificado no lineal de

elemento finito.

(3) un modelo detallado de elemento fibra.


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Modelo de Rigidez Efectiva Elstico-lineal

Fig. 15 Modelo de Rigidez Efectiva Elstico-Lineal: (a) Vista en elevacin del muroidealizado, (b) Forma idealizada de la deflexin. (Smith & Kurama, 2012)


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, = + , , = = 0.8

=

, = =

=

=0.175 =0.06 = 0.50

Ecuaciones de Anlisis del Modelo de Rigidez Efectiva(Smith & Kurama, 2012)

Donde: , = =desplazamiento elstico , =

, = = 0.8

=La rotacin del muro debido a la aberturainicial

= momento de inercia de la base encontacto con la fundacin

= = =


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Rigidez de un Muro Hbrido.

De las ecuaciones anteriores podemos conocer = , siF=1 y = ,+,

Evaluando las ecuaciones podemos llegar una ecuacinsimplificada:

= 1 = 8

+2.95

Donde:

=Altura total del muro.

=Espesor del muro. =Largo del muro. =Mdulo de elasticidad del concreto.


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Estimacin del Periodo de Muros Hbridos

Ec.6.17 del Diseo Estructural-Melli Piralla

= 0.09 H = altura del muro(mt) .

= longitud total del edificio en la direccinconsiderada en (mts).Estimacin de factor de comportamiento ssmico (Q)

y sobrerresistencia ()

Se adoptarn los valores especificados en el Arto. 21. a) a e) del RNC-07, serecomienda por seguridad usar un Q=3 por ser un muro que cumple con los requisitosdel Capitulo 21 del ACI-318-11, y =2 como estipula el RNC-07.


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Seleccin de la Aceleracin Espectral Reducida

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Ace

leracion

Espectrala/g

Periodo Estructural T, seg

ESPECTRO DE DISEO ELASTICO

ESPECTRO DE DISEO REDUCIDO

Cy

=[ +

] <

> =


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Clculo de Fuerza Ssmica

Para el clculo de la fuerza ssmica se aplica el MtodoEsttico Equivalente del RNC-07, auxilindose delDiseo Estructural Melli Piralla.

A continuacin se presenta un Hotel rectangular en

planta de cinco niveles de concreto reforzado provistopor muros hbridos. En total, el rea del edificio enestudio es de aproximadamente 1057.05mt2. El edificioest estructurado a base de marcos dctiles deconcreto en la direccin "x", mientras que en la

direccin "y" la resistencia lateral es proporcionadapor muros hbridos. Se considera que se van a cumplirtodos los requisitos para marcos dctiles.


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0.7

0.5

columna (mt):

0.4

6

w=

MuroHibrido(mt):

Lw

=

0.6

0.4

Viga (mt):


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Calculado los pesos, incluyendo carga muerta y viva reducida.

Calculo del cortante basal en X y Y:

= t

= t

Nivel Peso (tn)

1 1122.58035

2 1107.70035

3 1107.70035

4 1107.700355 817.3776

total= 5263.059

Mtodo Esttico Equivalente


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:Direccion

X Direccion Y

5.000 17.400 817.378 14222.370 295.110 295.110 334.458 334.458

4.000 14.000 1107.700 15507.805 321.782 616.893 364.687 699.145

3.000 10.600 1107.700 11741.624 243.635 860.528 276.120 975.265

2.000 7.200 1107.700 7975.443 165.488 1026.016 187.553 1162.818

1.000 3.800 1122.580 4265.805 88.514 1114.530 100.316 1263.134

0.000 suma= 5263.059 53713.047 1114.530 1263.134

Vi

(Ton)NIVEL ALTURA

(m)

PESO

(ton)

WihI

(Ton-m)

Fi

(ton)

Vi

(Ton)

Fi

(ton)

=

Clculo de Rigidecespara marcos se debe usar la

ecuacin general de Wilbur:

= 48 4 + + +

+


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Clculo del centro de masa:

Clculo del centro de torsin :

Clculo de la excentricidad :

Clculo de la excentricidad de Diseo: Arto. 32.

= (, ) =

=

=

=

= ( , )

, = , =

= . +. .


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Clculo de momentos torsionantes: = =

Clculo de Cortantes Totales:

La fuerza total sobre un elemento resistente es igual a la suma de dosefectos: el debido a la fuerza por cortante directo y el cortante que segenera por la torsin.

Cortante directo:

= cortante por torsin:

= +


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Tabla de Cortantes en Ejes

segn Diseo Estructural-Meli Piralla

Se debe obtener una por cada entrepiso.

Entrepiso 0-1


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Fuerzas de Diseo para el Muro Hbrido

5 17.40 9.784 1.254 CM+CV 1.2CM+1.6CV 0.9CM+CV 3.203 16.585

4 14.00 40.843 138.867 19.584 13.390 2.509 30.622 37.247928 27.685 3.240 13.383

3 10.60 86.376 432.545 19.584 13.390 2.509 66.104 80.830071 59.870 3.251 10.143

2 7.20 120.880 843.539 19.584 13.390 2.509 101.586 124.412214 92.055 3.255 6.892

1 3.80 144.322 1334.234 19.584 13.390 2.509 137.069 167.994357 124.240 3.637 3.637

0 0.00 156.741 1929.848 21.888 174.855 214.3413 158.498 0.000 0

NIVEL ALTURA

(m)CORTANTE MOMENTO

PESO

PANEL(ton)CARGA CM CARGA CV COMB 1 COMB2 COMB3 i(cm)

CARGA AXIAL

total(cm)

desplazamientosMURO HIBRIDO DEL EJE J


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Revisin preliminar de distorsiones del muro

hbrido.

= Debe cumplir con la tabla 4

(Distorsiones mximas permitidas) ,RNC-07

Fig. 16 Distorsin del muro


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Fig. 16 Diagrama de Fuerzas Actuantes

P di i t d Di


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Procedimiento de Diseo(Smith, Kurama & McGinnis, 2012)

=0.95

1. Clculo de la deriva (ACI ITG-5.1-07). = 0 . 9 % 0.8% + 0.5% 3.0%


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2. Revisin de la seccin transversal del muro proporcional alesfuerzo del concreto.

4

3. Diseo de la Junta Base.

3.1. Clculo de reas de Acero (para ). = + +

= 0.85

=

= 2

2

Resultado:

3.1.1. Clculo de esfuerzos y deformaciones.


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f y f

,

pi

pi

p

ppd fLEf

,

sn

s

sd l

= =

2 = =

2

wpdp

sdsd

NfA

fAk

= +

wpdp

sd

sdwpdpd

d NfAf

fNfAkC

wpdpdd NfAkC 1

Resultado:

Proponer cantidad de

acero equivalenteChequear

3 2 Clculo de la Resistencia Probable de Momento (para )


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3.2. Clculo de la Resistencia Probable de Momento (para )

=0.9

,

,

= = 2 = = 2

=

+

. 5.3 5.2 09 =

+ . 5.2 5.2 09

De la sumatoria de fuerzas:


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3.3. Clculo de la Regin de Confinamiento (para )

Usando la seccin 5.6.3.5-5.6.3.9 del ACI ITG-5.2 para encontrar el esfuerzo delconcreto confinado, y una nueva longitud de eje neutro.


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3.3.1. Clculo del Refuerzo de Confinamiento


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3.4. Clculo de la Longitud No Adherida del E.D.

= =

2 +

= + . 5.2 5.2 09

Se debe calcular la longitud de desarrollo de las barras segn la seccin 21.9.2.3deL ACI 318-11.


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3.5. Momento mximo final

Con la nueva longitud de eje neutro calculada en la regin deconfinamiento, encontrar para cada tipo de acero:

Elongaciones Deformaciones

Esfuerzos

Posterior aplicar las ecuaciones de la sumatoria de fuerzas,

para encontrar el momento mximo final.


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3.6. Estimacin de prdidas del esfuerzo PT

, = , ,

, = , (, ,)

4. Diseo de la Junta Superior


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4. Diseo de la Junta Superior

, =0.5,, , = ,, ,, + 0.5, + ,

M, = , C, L

2 C,

3+ A,f, Lw

2 d + A,f, Lw

2 d

,C, =

,Lw C, d ,

= , Lw C, dC, f, = EE f,Lw C, d

C,

,C, =

,C, d ,

= , C, d

C,

f, = EE f,C, d

C,


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5. Diseo por Cortante a travs de las Juntas Horizontales

Junta Base

Junta Superior

0.5, >

, + , + 0.5, + > ,

6. Diseo del Reforzamiento del Panel

Junta Base y Superior

= + 318 11 . 21.9.4

>

6. 1 Reforzamiento en el Borde Inicial de los Paneles


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= = 6,000.00 lbs/pieSegn la seccin 4.4.10 del ACI ITG-5.2-09:

= =

Segn la seccin 7.1-7.2 del ACI 318-11:

Segn la seccin 21.9.2.3 del ACI 318-11:

b

c

ye

d df

fL

02.0


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7. Control de Diseo

Relacin Acero PTAcero E.D.

0.5 + > +

Fluencia de las barras E.D.


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Curvas Esfuerzo-Deformacin del Acero PT y E.D.(Smith, Kurama & McGinnis, 2012)


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Detalles Estructurales

Seccin Transversal del Muro


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