Plastic seismic design of ductile reinforced concrete frame–shear wall dual systems

Resumen Técnico: Diseño Plástico Sísmico de Sistemas Duales de Pórticos y Muros de Concreto Reforzado Dúctiles

Planteamiento del Problema
Los códigos de diseño sísmico actuales (p. ej., ACI 318, ASCE 7) fomentan el comportamiento dúctil en sistemas duales de concreto reforzado (RC) mediante reglas prescriptivas como el criterio de columna fuerte-viga débil (SCWB). Sin embargo, el artículo sostiene que estas disposiciones suelen ser insuficientes para los sistemas duales de pórticos-muro de RC. Los controles de equilibrio de juntas locales no consideran los efectos dinámicos como las respuestas de modos superiores, la redistribución de momentos y el desplazamiento de los puntos de inflexión durante la respuesta inelástica. En consecuencia, los sistemas duales diseñados convencionalmente pueden desarrollar mecanismos de falla frágil no deseados, tales como pisos blandos o colapsos por deriva de piso (story-sway), en lugar del mecanismo dúctil global deseado donde las deformaciones inelásticas se distribuyen a través de las vigas y la base de los muros. Si bien existen métodos avanzados como el Diseño Plástico Basado en el Desempeño (PBPD), su aplicación directa a los sistemas duales de RC se ve complicada por la interacción entre el muro rígido y el pórtico dúctil, lo que a menudo conduce a la fluencia prematura de las columnas o a un comportamiento no deseado de los muros, incluso cuando se cumplen los requisitos de la norma.

Metodología
Los autores proponen una metodología de diseño plástico estático que impone un mecanismo de colapso de pórtico-deriva global, manteniéndose plenamente compatible con las disposiciones sísmicas actuales (ASCE 7 y ACI 318). El enfoque se fundamenta en el equilibrio estático global y la consistencia de la energía, evitando restricciones de mecanismo artificiales o factores de reducción de ductilidad asumidos.

Los componentes clave del marco propuesto incluyen:

1. Parámetro de Distribución de Carga Lateral ($\rho$): Se introduce un parámetro para coordinar la interacción entre el pórtico y el muro de concreto, definiendo la porción del cortante basal total resistida por el muro frente al pórtico.
2. Factor de Sobre-resistencia del Sistema ($\Omega$): La metodología incorpora un recálculo sistemático del factor de sobre-resistencia basado en las capacidades probables de los miembros (considerando la sobre-resistencia del material y el endurecimiento por deformación, p. ej., $1.25M_n$). Esto asegura la consistencia entre las capacidades de diseño asumidas y las capacidades plásticas reales.
3. Procedimiento de Diseño por Capacidad:
   • Vigas: Diseñadas para fluir primero, con momentos derivados de las cargas gravitatorias y las demandas sísmicas distribuidas mediante equivalencia de energía.
   • Columnas y Muros: Diseñados para permanecer esencialmente elásticos por encima de la base. Sus demandas sísmicas se calculan utilizando las capacidades de momento probables de las vigas ($M_{pr}$) y las fuerzas axiales derivadas del equilibrio global, integrando explícitamente los efectos de P-$\Delta$.
   • Especificidades del Muro de Concreto: La resistencia a la flexión y la capacidad de trabajo plástico del muro se calculan mediante el análisis de sección con compatibilidad de deformaciones, idealizando la distribución de curvatura para considerar la longitud de la rótula plástica en la base.
4. Algoritmo de Diseño Iterativo: El proceso implica inicializar los parámetros (deriva objetivo, $\Omega$ inicial, $\rho$ inicial), diseñar las vigas, calcular las demandas de columnas y muros basadas en las capacidades probables de las vigas, y luego actualizar el factor de sobre-resistencia. Si el $\Omega$ actualizado o la relación de distribución de carga resultante se desvía significativamente de las suposiciones, los elementos se rediseñan hasta lograr la convergencia.

Contribuciones Clave
El estudio presenta cuatro contribuciones principales:

1. Un procedimiento práctico para coordinar las acciones de pórtico y muro en sistemas duales de RC para asegurar un mecanismo global de colapso de pórtico-deriva.
2. Una formulación consistente con la normativa para distribuir las demandas sísmicas y evaluar las acciones de los miembros sin introducir supuestos incompatibles con el comportamiento de los muros de RC (abordando específicamente las limitaciones de aplicar el PBPD basado en acero directamente a los muros de RC).
3. Un procedimiento de actualización de la sobre-resistencia basado en las capacidades probables de los miembros para mantener la protección de las columnas y las regiones superiores de los muros.
4. Validación del procedimiento mediante análisis estáticos no lineales (pushover) y análisis de historia de respuesta no lineal (NRHA) en estructuras prototipo.

Resultos
La metodología se aplicó a sistemas prototipo de RC de pórtico-muro de 5, 10 y 15 niveles.

• Convergencia del Diseño: El algoritmo iterativo convergió con éxito, y las relaciones de distribución de carga final ($\rho$) permanecieron cercanas a las suposiciones iniciales (0.7) y dentro del rango aceptable (0.5–0.75).
• Mecanismo de Colapso: Los análisis estáticos no lineales (pushover) confirmaron que se logró el mecanismo de colapso global previsto. Las rótulas plásticas se formaron predominantemente en las vigas y en la base de los muros de concreto. Las columnas y las partes superiores de los muros permanecieron esencialmente elásticas, sin que se observara fluencia plástica en las columnas por encima de la base para los modelos de 5 y 10 niveles (y mínima o nula para el modelo de 15 niveles dentro del rango de desplazamiento).
• Desempeño Dinámico: Los análisis de historia de respuesta no lineal (NRHA) utilizando ocho movimientos de tierra de campo lejano de la base de datos FEMA P695 demostraron que las estructuras permanecieron estables. Las relaciones de deriva máxima entre pisos fueron consistentes entre los registros y se mantuvieron por debajo de las derivas de diseño objetivo.
• Validación del Modelo: El enfoque de modelado de elementos finitos fue validado contra datos experimentales (Espécimen C5), mostrando que el modelo de refuerzo uniforme adoptado puede capturar de manera confiable la fluencia por flexión y la inelasticidad distribuida.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma cerrar la brecha entre el diseño sísmico prescriptivo y el desempeño controlado por mecanismos. No propone una nueva filosofía de diseño sísmico, sino una extensión racional y práctica de las disposiciones existentes. Los autores sostienen que su marco proporciona a los ingenieros estructurales una vía transparente y ejecutable para lograr un verdadero diseño basado en el desempeño. Al imponer explícitamente un mecanismo global de pórtico-deriva mediante el equilibrio global y la consistencia de la energía, el método asegura que los sistemas duales diseñados según las normas actuales puedan evitar de manera confiable fallas frágiles localizadas, mejorando así la redundancia estructural y la seguridad sin apartarse de los estándares establecidos.