Univ Un iver ersi sida dadd Naci Nacion onal al de de In en enie ierí ríaa Facultad de Ingeniería Civil SECCION DE POSGRADO Y SEGUNDA EXPECIALIZACION SEGUNDA ESPECIALIZACION EN DISEÑO SISMORRESISTENTE
DISEÑO SISMICO DE ESTRUCTURA ESTRUCTURAS S DE ACERO A CERO TEMA: CONS CONSIDER IDERA A CION CIONES ES GENERA GENERAL L ES PA PA RA EL DISEÑO SISMICO DE ESTRUCTURAS ESTRUCTURAS DE ACERO
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ORMAS DE REFERENCIA AISC (2005a). “Seismic Provisions for Structural Steel Buildings,” American American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois. AISC (2005b). “ANSI/AISC 360-05. Specification for Structural Steel Buildings,” American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois. NTE E.090 Norma Técnica de Edificación – ESTRUCTURAS ESTRUCTURAS METALICAS. METALICAS. NTE E.030 Norma Técnica de Edificación – DISEÑO DISEÑO SISMORESISTENTE SISMORESISTENTE
INTRODUCCION
El año 2005 el Instituto Americano de la Construcción en Acero (AISC) publicó la última versión de sus dis osiciones sísmicas. Estas dis osiciones reco en toda la experiencia y conocimiento adquirido luego de los terremotos de Northridge en 1994 y Kobe en 1995, los que pusieron en tela de juicio la filosofía de diseño que se aplicaba hasta ese entonces para producir estructuras sismorresistentes en acero estructural. Además nuevas tecnolo ías sistemas estructurales ue sur ieron después de la aparición a la edición previa a este documento han sido incluidas. En el Perú el código de diseño en acero NTE E.090 esta basado en las normas del AISC, sin embar o no existen dis osiciones es ecificas ara el tema sísmico, or lo cual se tomará como documento base el AISC 2005a (Disposiciones Sísmicas para el Diseño Sísmico de Edificaciones). Las disposiciones de AISC 2005a, complementan las disposiciones general del diseño en acero AISC 2005b o la NTE E.090.
DUCTILIDAD Y FACTOR DE REDUCCION
La ductilidad tiene que ver con la capacidad de la estructura o elemento estructural de so ortar deformaciones inelásticas, es decir daño, sin érdida si nificativa de capacidad. Si una estructura o elemento estructural es diseñado de modo que tenga ductilidad, es posible reducir las fuerzas de diseño, resultando en economías en términos de tamaño de los elementos estructurales V b Elástico (sin daño) Vel Dúctil (daño controlado)
Vred = Vel/R
Δy
Δdiseño = μΔy
Δ
omo se pue e ver, para egar a un m smo n ve e e ormac ones e se o Δdiseño , la estructura sin daño requiere resistir fuerzas significativamente mayores que la estructura dúctil.
DUCTILIDAD Y FACTOR DE REDUCCION
Debido a la variabilidad de las solicitaciones sísmicas, es económicamente imposible construir una estructura que se comporte elásticamente para el sismo más grande que se pueda esperar en una región. Por lo tanto, todas las estructuras en zonas sísmicas deben , de la respuesta R. Mientras mayor el factor R, entonces, mayor ductilidad es requerida de la estructura, es , , estructura elástica. La definición de este factor y su aplicación a la determinación de las solicitaciones , . común en Estados Unidos, las Disposiciones restringen su aplicabilidad a sistemas estructurales con un R mayor que 3, donde R está definido de acuerdo a las recomendaciones de la ASCE 7 (ASCE 2002). Para estructuras con R menor o igual a 3 . límite entre estructuras dúctiles y no dúctiles va a ser diferente para otras normas y es, por tanto, responsabilidad del ingeniero estructural el utilizar un valor límite de R adecuado a las normas de su país.
ac or e e ucc on e es s enc a seg n
.
Solicitaciones y combinaciones de carga De acuerdo a NTE E.090 Cargas, Factores de Carga y Combinación de Cargas
Las siguientes cargas nominales deben ser consideradas: D : Carga muerta debida al peso propio de los elementos y los efectos permanentes sobre la estructura. L : Carga viva debida al mobiliario y ocupantes. Lr : Carga viva en las azoteas. W : Carga de viento. . E : Carga de sismo de acuerdo a la Norma E.030 Diseño Sismorresistente. R : Carga por lluvia o granizo. La resistencia requerida de la estructura y sus elementos debe ser determinada para la adecuada combinación crítica de cargas actor za as. El efecto crítico puede ocurrir cuando una o más cargas no estén actuando. Para la aplicación del método LRFD, las siguientes combinaciones deben ser investigadas: 1,4 D (1. 4 - 1) 1,2 D +1,6 L +0,5( Lr ó S ó R) (1.4 -2) 1,2D + 1,6(Lr ó S ÓR) + (0,5L Ó 0,W) (1.4 -3) 1,2D + 1,3W +0,5L + 0,5(L r ó S ó R) (1.4 -4) 1,2 D ± 1,0E+0,5L + 0,2 S (1.4 -5) 0,9D ±(1 ,3W Ó 1,0E) (1.4 -6) En las combinaciones 1.4-3, 1.4-4 y 1.4-5 el factor de cargas para L debe ser considerado como 1,0 en el caso de estacionamientos, auditorios y todo lugar donde la carga viva sea mayor a 500 kgf/m2. Desplazamientos Permitidos
e acuer o a a orma .
a s ors n m x ma e en rep so e
a a s smo es gua a . .
a er a es Para poder lograr una ductilidad significativa es necesario partir con un material que tenga esta . resistencia y aceros convencionales. Se ve que, si bien la capacidad del acero de alta resistencia puede superar la del acero convencional, esto va siempre acompañado de una reducción de su capacidad de deformación inelástica. σ Acero de alta resistencia
Acero estructural convencional
Figura : Comportamiento de aceros
ε
Por esta razón las Dis osiciones restrin en la tensión de fluencia del acero a un máximo de 50 ksi o 345 MPa en aquellos elementos estructurales que van a desarrollar comportamiento inelástico. Este límite es ligeramente mayor, para estructuras de ductilidad limitada, siendo 55ksi o 380 MPa. Estas limitaciones no se aplican en el caso de que el único comportamiento inelástico sea el de fluencia en la base de columnas.
Tabla 1: Aceros permitidos para uso sísmico
A36 A53 A500 rado B C A501 A529 A572 grados 42, 50 y 55 A588 , A992 A1011 HSLAS grado 55
“
“
Según ensayos realizados del material utilizados en las conexiones y elementos estructurales, se obtuvieron resultados sorprendentes; elementos estructurales, en especial vigas, que se habían supuesto , y valores del esfuerzo de fluencia F y muy superiores. Esto, que en principio puede parecer beneficioso, causó que las zonas de panel quedaran con una resistencia inferior a la necesaria, generando una . deformación de la zona de panel causa una alta demanda de deformación en la unión entre el ala de la viga y el ala de la columna, como se muestra en la Figura 3, lo que propició la formación de grietas en esa , .
“Tensión de fluencia esperada” y “Tensión última esperada”
Con el fin de evitar esto, las Disposiciones requieren la utilización de las resistencias esperadas, para el diseño de partes de la estructura que queden diseñadas por capacidad (AISC 2005b - 6.2). Estas resistencias esperadas se definen como Tens ón e F uenc a Espera a: Tensión Ultima Esperada:
F ye = R y · F y F ue = Rt · F u
Donde F y y F u son los valores nominales de la tensión de fluencia y tensión última del acero, respect vamente, y R y y Rt son actores e amp cac ón para egar a os va ores e tens ones e fluencia y última esperados.
CONEXIONES, UNIONES Y SUJECIONES Tomando en cuenta que las conexiones son los puntos más críticos de una estructura, ya que la falla de una conexión redunda generalmente en el colapso de un elemento o el sistema estructural, las Disposiciones exigen que el estado límite que defina la capacidad de la conexión sea un estado límite (modo de falla) dúctil, o bien que se asegure que la falla ocurrirá en el elemento estructural y que será tam én úct . Uniones Empernadas.-
Las Disposiciones exigen la utilización de pernos pretensados de acuerdo a los requisitos de conectores en r cc ón, y m tan a ut zac ón e per orac ones so re mens ona as u ova a as a casos particulares o aquellos casos en que se pueda demostrar a través de ensayos que su utilización es viable y no perjudica la ductilidad del sistema estructural Uniones Soldadas.-
Las soldaduras deben cumplir con requisitos de resistencia a la fractura, lo que debe asegurarse a través de la ejecución de éstas siguiendo procedimientos certificados de calidad y con electrodos adecuados, o bien su desempeño debe corroborarse experimentalmente. Las Disposiciones definen a em s so a uras e eman a cr t ca , que son aque as so a uras cuya a a a ecta directamente la ductilidad del sistema estructural. Para este tipo de soldaduras, los requisitos son aún más exigentes.
o est perm t o se ar un ones e mo o que so a uras y pernos res stan en con unto una misma fuerza, por ejemplo la tracción en un arriostramiento”.
En el caso de placas de continuidad y atiesadores, no se debe soldar éstos en todo el contorno y se debe recortar las esquinas (ver Figura 7), ya que esto crea estados triaxiales de tensiones en las esquinas que generan grietas que luego se propagan a la sección completa del elemento.
Atiesador Corte en la esquina Figura: Detalle de atiesadores
Elementos estructurales sbeltez de la sección.
Uno de los requisitos fundamentales sobre los elementos estructurales para su utilización en estructuras sismorresistentes es ue sean ca aces de so ortar deformaciones inelásticas más allá del punto en que alcanzan su capacidad. En la figura se ilustra el comportamiento de una viga en flexión, para diferentes razones de esbeltez de su sección transversal. Para secciones esbeltas (λ > λr ) la sección llega al , capacidad y rápidamente pierde resistencia y ocurre la falla. Para secciones no compactas (λ p > λ > λr ), el pandeo local ocurre cuando parte del elemento ya se ha plastificado, y nuevamente la viga alcanza su capacidad y falla rápidamente. Finalmente, para secciones compactas (λ p > λ), el elemento no sufre pandeo local y mantiene su capacidad para un rango de deformación inelástica, antes de llegar a la falla.
M M p
λ < λ ps λ ps < λ < λ p p
Mr
r
λ > λr θy
θu = 3θy
θu = 8θy
θ
Figura : Efecto de la esbeltez de la sección sobre el comportamiento de una viga
Considerando lo anterior es que las Disposiciones sólo permiten la utilización de secciones com actas de vi as, columnas arriostramientos ara sistemas estructurales ue resistan solicitaciones sísmicas. Los requisitos para clasificar una sección como compacta, sin embargo, varían dependiendo del nivel de ductilidad del sistema estructural utilizado.
Para sistemas estructurales con un nivel de ductilidad significativo, se espera que los elementos estructurales sufran grandes incursiones en el rango inelástico y que esto ocurra varias veces durante un terremoto. 1.5
p M / 0.5 M o 0 t n e m o -0.5 M -1 -1.5 -0.04
-0.03
-0.02
-0.01
0
0.01
0.02
Rotación - θ bm (rad) Figura : Acumulación de rotación plástica en una viga
0.03
0.04
Se puede apreciar en la figura anterior que cada ciclo de deformación inelástica induce una deformación inferior a la deformación inelástica más rande ue tiene que resistir el extremo de la viga. El límite de compacidad λ p en la especificación general está definido considerando una capacidad de deformación inelástica de 3 veces la deformación de fluencia, como se indica en la figura. Esta capacidad de deformación inelástica es suficiente para que los elementos estructurales puedan alcanzar su capacidad bajo acciones monotónicas, pero no para el caso de sucesivas incursiones en el rango , . Teniendo en cuenta este efecto, las Disposiciones definen una nueva categoría de secciones compactas, denominadas secciones “sísmicamente compactas”. Para que una sección sea sísmicamente compacta la esbeltez b/t de cada una de sus partes debe ser menor o igual al valor límite λ ps, el que es más restrictivo que λ p. Un elemento estructural sísmicamente compacto será capaz de soportar e ormac ones ne s cas mayores a veces a e ormac n e uenc a.
Esbeltez del elemento Si observamos el efecto de la esbeltez global en vigas sometidas a flexión, podemos distinguir comportamientos similares a los debidos al pandeo local. La esbeltez de una viga está determinada por la distancia entre arriostramientos laterales L b como lo ilustra la Figura. Para distancias muy grandes entre arriostramientos (L > Lr ), la viga sufre inestabilidad lateral-torsional o volcamiento antes de haber llegado a la fluencia en alguna sección, alcanza su capacidad y falla rápidamente. Para distancias intermedias entre arriostramientos (Lr > L > L p), el volcamiento ocurre cuando parte del elemento ya ha alcanzado la fluencia, pero el comportamiento después de llegar a su capacidad es el mismo. Para vigas adecuadamente arriostradas (L p > L), la viga alcanza su momento plástico y es capaz de mantenerlo hasta un cierto nivel de deformación inelástica. Similarmente al caso de la esbeltez de la sección, las Disposiciones definen una distancia máxima entre arriostramientos adicional, L ps, la que permite a las vigas soportar deformaciones inelásticas significativas. Para vigas en sistemas estructurales de baja ductilidad, las Disposiciones permiten la ocurrencia de volcamiento y, por tanto, no pone restricciones a la distancia entre arriostramientos que se puede utilizar. Para vigas en sistemas de ductilidad moderada a alta, en cambio, la distancia entre arriostramientos máxima está limitada, de modo que el volcamiento no sea posible y las vigas tengan una capacidad de deformación inelástica acorde con las demandas a las que estarán sometidas durante un terremoto severo. M M p L ps < L b < L p Mr
L b < L ps
L p < L b < Lr L b > Lr θ
Figura : Efecto de la esbeltez global sobre el comportamiento de una viga
SISTEMAS DE RESISTENCIA SISTEMA DE RESISTENCIA A CARGAS SISMICAS (SLRS=SEISMIC LOAD RESISTING FRAME) .- Arreglo de de elementos estructurales que en conjunto resisten las cargas símicas (columnas,
,
,
,
,
,
….
1.- Porticos Resistentes a Momentos (MRF) Sistema de Vi as Columnas con conexiones resistentes a momentos. Comportamiento a flexión y corte en Vigas y Columnas. Se clasifican según su nivel de Desempeño sismorresistente.
a. Special Moment Frames (SMF). Pórticos Especiales a Momento. Sistemas capaces de desarrollar incursiones inelásticas Significativas, de manera estable. b. Intermediate Moment Frames (IMF) . Pórticos Intermedios a Momento.
Sistemas capaces de desarrollar incursiones inelásticas Moderadas, de manera estable. .
rango
. . Sistemas con una capacidad inelástica muy Limitada. Su desempeño esta basado en el elástico.
Porticos Resistentes a Momentos
Fig. Special Moment Frame (SMF). Pórtico Especial a Momento (idealizacion).
2.- Porticos con Arriostramiento Concentrico (CBF ) Sistema estructural formado por columnas, vigas y arriostramientos concéntricos. Se clasifican en. a.
Pórticos Especiales Arriostrados concentricamente (SCBF = Special
Concentrically Braced Frame).- Este sistema generalmente configurado para que al s pac n e energ a se e en os arr ostres e ta manera que ncurs onen estos en fluencia durante la tracción y pandeo durante la compresión. b. Pórticos Ordinarios Arriostrados concentricamente OCBF = Ordinar
Concentrically Braced Frame)
Porticos con Arriostramiento Concentrico
3.- Porticos Arriostrados Excentricamente (EBF = Eccentrically
Sistema estructural formado por columnas, vigas y arriostres excéntricos. Se espera que un portico tipo EBF desarrolle una cantidad significativa de deformación inelástica en la viga de acople al ser sometido a fuerzas que resultan al considerar el sismo de diseño. Los arriostramientos diagonales, columnas y segmentos de viga ubicados fuera de la zona de la viga de aco le se diseñan ara ermanecer esencialmente en el ran o elástico.
Viga de acople
Sistema de Arriostramiento
Fig. Porticos Arriostrados excentricamente
4.- Muros de Corte Especiales de Placas de Acero (SPSW = Special
Sistema estructural formado elementos de borde de borde (columnas, vigas) y con una placa de acero interior. Se espera que una estructura tipo SPSW desarrolle una cantidad significativa de deformación inelástica en las almas al ser sometido a fuerzas que resultan al considerar el sismo de diseño. Los elementos de borde horizontales verticales ad acentes al alma se diseñan ara ermanecer esencialmente en el rango elástico.
Elemento de borde or zonta HBE
Placas de acero
Elemento de (VBE)
Figura . Muro de corte de placas de acero
