Diseño Sísmico

Diseño sismorresistente de estructuras de acero

Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Marzo de 2007 Introducción adaptada de material preparado por el Ing. Héctor Soto Rodríguez, Centro Regional de Desarrollo en Ingeniería Civil, Morelia, Mich. México.

Diseño sismorresistente de estructuras de acero • Introducción • Métodos de análisis • Criterios generales • Sistemas estructurales • Detallamiento sísmico

CONTENIDO

SISMICIDAD

1. Introducción

Actividad Sísmica Mundial

1. Introducción • • • • • • • • • • • • • • •

Ciudad de México, 1985 Valparaíso, Chile, 1985 San Salvador, El Salvador, 1986 Loma Prieta, California, 1989 Northridge, California, 1994 Kobe, Japón, 1995 Manzanillo, Colombia, 1995 Armenia, Colombia, 1999 Puebla, México, 1999 Estambul, Turquía Chi-chi, Taiwán, 1999 Colima, México, 2003 Cobquecura, Chile, 2010 Christchurch, Nueva Zelanda, 2011 Fukushima, Japón, 2011

SISMICIDAD

1. Introducción

CARACTERISTICAS DE SISMOS

1. Introducción

CARACTERISTICAS DE SISMOS

Respuesta de diferentes elementos y contenido de una edificación frente a un sismo

1. Introducción

Estructura de acero típica resistente a momento

EFECTOS DE SISMOS

Conexión típica viga-columna a momento pre-Northridge.

1. Introducción

Daños en conexiones

EFECTOS DE SISMOS

1. Introducción

EFECTOS DE SISMOS

Factores que influyeron: • Ejecución incorrecta de soldaduras • Grietas preexistentes en soldaduras o metal base • Tensiones residuales en las uniones generadas durante construcción • Falla del ala de la columna ocasionada por tracciones en la dirección del espesor

1. Introducción

EFECTOS DE SISMOS

Factores que influyeron: • Aumento de tracción en ala inferior de la viga debido a presencia de la losa de hormigón • Estados triaxiales de tensión • Concentración en pocos lugares de uniones rígidas para resistir sismo

1. Introducción

Respuesta experimental de conexión viga-columna pre-Northridge

EFECTOS DE SISMOS

1. Introducción

EFECTOS DE SISMOS

Sistema estructural típico para edificios de acero en Kobe Columnas en cajón HSS y vigas tipo I o H, ambas laminadas

1. Introducción

EFECTOS DE SISMOS

Tipos de conexiones trabe-columna usuales en Japón. Conexiones tipo “árbol o de brazo”

EFECTOS DE SISMOS

1. Introducción

a) Conexión placa base sobre concreto reforzado

b) Placa base y tramo de columna embebidos en hormigón

Tipos de conexiones para columnas de acero Sistema placa-base

1. Introducción

Daños sismo de Kobe, Japón 1995

EFECTOS DE SISMOS

1. Introducción TRABE

Daños sismo de Kobe, Japón 1995

EFECTOS DE SISMOS

1. Introducción

Pandeo en contraventeos en forma de X Edificio típico de acero

EFECTOS DE SISMOS

2. Métodos de análisis

CLASIFICACION

• Análisis estático – Método de la fuerzas laterales equivalentes

• Análisis dinámico – Análisis modal (elástico) • En el tiempo • Espectral

– Análisis dinámico inelástico

ANALISIS ESTATICO

2. Métodos de análisis • Método de la fuerzas laterales equivalentes

Vb = Cs · ΣWi

Fi = Vb

Wi hi n

∑W j h j

k

j =1

Vb

2. Métodos de análisis • Análisis modal espectral

ANALISIS DINAMICO

3. Conceptos generales

NIVELES DE RIESGO SISMICO

• Sismos frecuentes: 50% probabilidad excedencia en 50 años. • Sismos de diseño: ~10% probabilidad excedencia en 50 años. • Sismos máximos considerados: 2% probabilidad de excedencia en 50 años


NIVELES DE DESEMPEÑO SISMICO

• Operacional: no hay daños de importancia, la estructura puede seguir cumpliendo sus funciones inmediatamente. • Ocupación inmediata: similar al nivel operacional, pero con posibles daños en elementos no estructurales. Requiere reparaciones mínimas.


NIVELES DE DESEMPEÑO SISMICO

• Preservación de ocupantes: daños de consideración en elementos estructurales y no estructurales. No hay riesgo para ocupantes. Reparación puede ser inviable económicamente. • Prevención de colapso: daños significativos en elementos estructurales y no estructurales. Riesgo para sus ocupantes. No reparable.

OBJETIVOS DE DISEÑO

3. Criterios generales Operacional

Ocupación inmediata

Preservación Prevención de ocupantes de colapso

Sismo frecuente

Sismo de diseño

Sismo máximo considerado

III

II

I

DUCTILIDAD ESTRUCTURAL

3. Criterios generales

Vbel

Corte Basal

Estructura frágil

Vbdis

(1-1/R)Vbel Estructura dúctil Vbdis (µ−1)δy

δy Desplazamiento

δu

Vbel = R

δu µ= δy

3. Criterios generales Depende de • Sistema estructural • Materiales de construcción • Nivel de detallamiento

DUCTILIDAD ESTRUCTURAL

4. Sistemas estructurales

CLASIFICACION

• Marcos resistentes a momento • Marcos arriostrados concéntricamente • Marcos arriostrados excéntricamente • Muros de corte de placas de acero

4. Sistemas estructurales • Marcos resistentes a momento

Vigas

Columnas

TIPOS

4. Sistemas estructurales • Marcos arriostrados concéntricamente

Arriostramiento

TIPOS

4. Sistemas estructurales • Marcos arriostrados excéntricamente

“Link” Arriostramiento

TIPOS

4. Sistemas estructurales • Muros de corte de placas de acero

Placas de acero

TIPOS

5. Detallamiento sísmico

RECOMENDACIONES GENERALES

• Material base: – Usar aceros con ductilidad y resiliencia significativa. – Usar aceros con buena resistencia a fractura.



• Elementos estructurales: – Evitar pandeo local. • Relaciones ancho/espesor • Niveles de esfuerzo axial

– Evitar pandeo global por flexión, torsión o flexo-torsión. • Longitudes de arriostramiento • Rigidez y resistencia de arriostramientos

– Evitar fallas por cargas concentradas – Diseñar por capacidad elementos que no deben fallar.



• Conexiones: – Diseñar para lograr falla dúctil de la conexión o del elemento. – Evitar concentración de tensiones. – Evitar estados triaxiales de tensiones – Evitar delaminación. – Usar electrodos con buena resistencia a fractura.



• Sistema estructural: – Proveer redundancia.

– Evitar falla por inestabilidad (P-∆).

– Seguir recomendaciones para buena estructuración

5. Detallamiento sísmico • Mecanismo de falla

MARCOS A MOMENTO

MARCOS A MOMENTO

5. Detallamiento sísmico • Columna fuerte-viga débil

* M ∑ pc

∑M

* pb

=

M pct + M pcb M pbl + M pbr

>1

( AISC )


MARCOS A MOMENTO

• Vigas: – Usar secciones sísmicamente compactas

b t ≤ λ ps – Evitar cambios bruscos de sección – Proteger zonas de rotulación plástica • No conectores de corte • No elementos soldados • No perforaciones

MARCOS A MOMENTO

5. Detallamiento sísmico • Vigas:

– Proveer arriostramiento lateral adecuado • Longitud de arriostramiento máxima sísmica

Lb ≤ L ps = 0.086ry E Fy

( AISC )

• Resistencia de arriostramiento lateral

Pu = 0.06 M u h0

( AISC − LRFD )

h0

• Rigidez de arriostramiento lateral

 10M u 1  β br = (φ = 0.75)  Lb h0

  

( AISC − LRFD )

MARCOS A MOMENTO

5. Detallamiento sísmico • Columnas:

– Usar secciones sísmicamente compactas

b t ≤ λ ps – Proveer arriostramiento lateral adecuado • Resistencia de arriostramiento lateral br u ala

P

= 0.02 Fy b f t f

( AISC − LRFD )

• Rigidez de arriostramiento lateral

 8 Pu 1  β br = (φ = 0.75)  Lb

  

( AISC − LRFD )


MARCOS A MOMENTO

• Columnas: – Diseñar bases de columna por capacidad – Empalmes con capacidad ≥ columnas que unen – Zonas de panel adecuadamente reforzadas

MARCOS A MOMENTO

5. Detallamiento sísmico • Conexiones:

– Resistir grandes desplazamientos entre pisos – Capacidad a flexión mayor que la viga – Capacidad al corte mayor que corte en viga biarticulada plásticamente Vcon =

2 M pb

esperado

Lh

M con = M pb

esperado

+ Vcon

(L − b ) − Lh 2


MARCOS ARRIOSTRADOS CONCENTRICAMENTE

• Estructuración

No

Sí


5. Detallamiento sísmico • Estructuración K

No

V invertida

Sí, condicionalmente

V



• Arriostramientos: – Limitar esbeltez global

KL r ≤ 4 E Fy

( AISC )

– Usar secciones sísmicamente compactas

b t ≤ λ ps



• Vigas: – Diseñar para fuerza desbalanceada cuando ocurre pandeo



• Conexiones: – Capacidad en tracción mayor que capacidad esperada en fluencia del arriostramiento – Resistir flexión o deformación asociada al pandeo del arriostramiento – Capacidad en compresión mayor que capacidad esperada del arriostramiento


MARCOS ARRIOSTRADOS EXCENTRICAMENTE

• Deformación inelástica concentrada en los “links” • Vigas, columnas y arriostramientos diseñados por capacidad



• Links: – Usar secciones sísmicamente compactas

b t ≤ λ ps – Capacidad dada por resistencia al corte, considerando efecto de esfuerzo axial – Longitud restringida (Llink < Lmax)



• Links: – Diseño basado en deformación θmax ∆diseño

θ

0.08 (AISC)

0.02 1 .6

Fy Z 0.6 Fy Aw

2.6

Fy Z 0.6 Fy Aw

Llink



• Links: – Atiesadores en extremos Atiesadores

– Arriostramiento lateral en extremos

Pu = 0.06 M u

esperado

h0

( AISC − LRFD )



• Conexiones: – Capacidad de soportar corte y momento en extremos del “link”. – Capacidad de absorber rotaciones de los extremos del “link”


MUROS DE CORTE DE PLACAS DE ACERO

• Deformación inelástica concentrada en las placas • Vigas y columnas diseñadas por capacidad

Placas de acero


MUROS DE CORTE DE PLACAS DE ACERO

• Placas: – Capacidad controlada por fluencia en corte – Razón altura/largo limitada

• Vigas, columnas, conexiones vigacolumna: – Cumplir con requisitos de marcos a momento

• Conexiones placa-columna/viga – Controladas por fluencia en tracción inclinada

5. Detallamiento sísmico • Viga de sección reducida

ESTRATEGIAS AVANZADAS

ESTRATEGIAS AVANZADAS


• Arriostramientos de pandeo restringido

t

b

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