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Diplomado en Ingeniería Estructural Mexico DF Agosto 2009
Guía de Aplicación Elaborado por. Ing. Eliud Hernández Dealer CSI - Venezuela Vicepresidente INESA 58-412-2390553
Caracas, Julio 2009 http://slidepdf.com/reader/full/diseno-sismo-resistente-en-acero-55a753d098c35
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Normas y Códigos de Diseño de Estructuras de Acero
ANSI/AISC 360-05 “Specification for Structural Steel Buildings”
ANSI/AISC 341-05 “Seismic Provisions for Structural Steel Buildings”
ANSI/AISC 358-05 “Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications”
AISC LRFD-99 “Load Resistance Factor Design”
AISC ASD-01 “Allowable Stress Design”
AISC – Steel Design Guide (Second Edition)
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Normas y Códigos de Diseño de Estructuras de Acero FEMA 350 Recommended Seismic Design Criteria for New Steel Moment- Frame Buildings
FEMA 351
Recommended Seismic Evaluation and Upgrade Criteria for Existing Welded Steel Moment-Frame Buildings
FEMA 352 Recommended Postearthquake Evaluation and Repair Criteria for Welded Steel Moment-Frame Buildings
FEMA 353 Recommended Specifications and Quality Assurance Guidelines for Steel Moment-Frame Construction for Seismic Applications
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Filosofia del Diseño Estructural Sismo-resistente
Establecer un Diseño Por Capacidad: Limitar Mecanismos Frágiles y Propiciar Mecanismos Dúctiles.
Elegir y establecer el patron de falla adecuado de los elementos “Fusibles” que entrarán en cedencia durante un evento sísmico.
Los elementos “Fusibles” deben ser capaces de desarrollar incursiones inelásticas significativas y de disipar energía durante un evento sísmico.
Diseñar el resto de los elementos del sistema resistente a sismo con la condición de que permanezcan en el rango elástico al presentarse las fallas dúctiles (Rótulas plásticas) esperadas en los “Fusibles”.
Las Conexiones de los elementos “Fusibles” ser diseñadas en función a la capacidad inelástica esperada de losdeben mismos.
Las conexiones del resto de los elementos del sistema resistente a sismo deben ser diseñadas para las fuerzas que se producen al presentarse las fallas ductiles (Rótulas plásticas) esperadas en los “Fusibles”
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Casos y Combinaciones de Carga (1) 1.4 CP
(2) 1.2 CP + 1.6 CV + 0.5 CVt (3) 1.2 CP + 1.6 CVt + 0.5 CV (4) 1.2 CP + CV + 1.0 Eb
Combinaciones para el Diseño de los Elementos
(5) 0.9 CP + 1.0 Eb
Fusibles.
(6) 1.2 CP + CV + 1.0 Ea
Combinaciones para el Diseño del Resto de los elementos que conforman el sistema resistente a
(7) 0.9 CP + 1.0 Ea CP : Carga Permanente
sismo
CV: Carga Variable CVt: Carga Variable de Techo
Casos de Carga
Factor de Participación. Eb: Acción sísmica Básica Ea: Acción Sísmica Amplificada http://slidepdf.com/reader/full/diseno-sismo-resistente-en-acero-55a753d098c35
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Acción Sísmica
E
Eb = ρ QE 0.2 SDS CP Ea = Ωo QE 0.2 SDS CP
Efecto de Fuerzas Horizontales
QE
Efecto de Fuerzas Verticales
= Carga Sísmica Horizontal
SDS = Aceleración del espectro de diseño para períodos cortos CP
= Carga Permanente.
ρ
= Factor que varia de 1.00 a 1.5 (Depende de la Redundacia estructural “Hiperestaticidad”)
Ωo
= Factor de Sobre-resistencia Sísmica (Depende del Sistema Estructural)
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Acción Sísmica en Combinaciones de Carga Para la Combinación (4): 1.2 CP + CV + 1.0 Eb Se tiene que: Eb = ρ QE + 0.2 SDS CP
(1.2 + 0.2 SDS) CP + CV + 1.0 ρ QE Para la Combinación (5): 0.9 CP + 1.0 Eb ρ
Se tiene que:
Eb
=
QE - 0.2 SDS CP
(0.9 - 0.2 SDS) CP + 1.0 ρ QE
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Acción Sísmica en Combinaciones de Carga Para la Combinación (6): 1.2 CP + CV + 1.0 Ea Se tiene que: Ea = Ωo QE + 0.2 SDS CP
(1.2 + 0.2 SDS) CP + CV + 1.0 Ωo QE Para la Combinación (7): 0.9 CP + 1.0 Ea Ω
Se tiene que:
Ea
=
o
QE - 0.2 SDS CP
(0.9 - 0.2 SDS) CP + 1.0 Ωo QE
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Factor de Amplificación Sísmica
Tipos de Sistema
Ωo
Moment Resistance Frames (SMF, IMF, OMF)
3
Special Truss Moment Frames (STMF) Concentrically Braced Frames (SCBF, OCBF)
2 2
Eccentrically Braced Frames (EBF)
2
Special Plate Shear Walls (SPSW)
2
Buckling Restrained Braced Frames (BRBF) Conexiones
Viga-Columna resistentes a Momentos
Conexiones Viga-Columna No resistentes a Momentos http://slidepdf.com/reader/full/diseno-sismo-resistente-en-acero-55a753d098c35
2.5 2
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Carga Sísmica Amplificada
Ωo Qe
Qe
Desplazamiento Lateral de la Estructura
La Carga Sísmica Amplificada, ΩoQe, se utiliza para estimar las fuerzas que ocurren en cada uno de los elementos que conforman el sistema resistente a sismo, para cuando los “fusibles” de la estructura incursionan en el rango inelástico
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Acero Estructural
R y
R t
Hot-Rolled Shapes and Bars: ASTM A36
1.5
1.2
ASTM A572 Gr 42
1.1
1.1
ASTM A913 Gr 50, 60 or 65; ASTM A588; A1011 HSLAS Gr 50
1.1
1.1
ASTM A529 Gr 50
1.2
1.2
ASTM A529 Gr 55
1.1
1.2
ASTM A500 Gr B or Gr C; ASTM A501
1.4
1.3
ASTM A53
1.6
1.2
ASTM A36
1.3
1.2
ASTM A572 Gr50; ASTM A588
1.1
1.2
ASTM A992; A572 Gr 50 or Gr 55;
Hollow Structural Sections (HSS):
Pipe:
Plates:
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Factores de Sobre-resistencia Ry: Factor Mínimo de Sobre-resistencia Cedente Rt : Factor Mínimo de Sobre-resistencia Ultima
Esfuerzos Esperados Esfuerzo Cedente Esperado
= R y F y
Esfuerzo Ultimo Esperado
= R t F u
Los esfuerzos esperados (R t F u ) y (R y F y ) son utilizados para establecer las fuerzas de diseño de las conexiones del sistema resistente a sismos.
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Diseño Sismo-Resistente en Acero 1.- Porticos Resistentes a Momentos (MRF) 1.1 Caracteristicas.
• Sistema de Vigas y Columnas con conexiones resistentes a momentos. • Comportamiento a flexión y corte en Vigas y Columnas.
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Diseño Sismo-Resistente en Acero 1.- Porticos Resistentes a Momentos (MRF) 1.2 Respuesta Estructural ante Sismos.
M http://slidepdf.com/reader/full/diseno-sismo-resistente-en-acero-55a753d098c35
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Diseño Sismo-Resistente en Acero 1.- Porticos Resistentes a Momentos (MRF) Posible Ubicación de Rótulas Plasticas
1.3 Desempeño Estructural.
Zona del Panel (Cedencia por Corte)
• Sistema capaces de desarrollar ductilidad, disipación de Energía e incursiones inelásticas significativas. • Sistemas con muy poca rigidez • Los mecanismos que pueden presentarse son: Cedencia Cedencia
Columna (Cedencia por Flexion y Fuerza Axial)
por Flexión en las Vigas. por Corte en la Zona del
panel. Cedencia por Flexión y Fuerza Axial en Columnas.
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Viga (Cedencia por Flexión)
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Diseño Sismo-Resistente en Acero 1.- Porticos Resistentes a Momentos (MRF) • Para lograr una buena ductilidad y disipación de energía es necesario que se presente el mecanismo de rótulas plásticas por flexión en Vigas.
• De presentarse rótulas plásticas en columnas podria generarse un entrepiso débil y con ello provocar el colapso de la estructura.
Rótulas Plásticas
h L http://slidepdf.com/reader/full/diseno-sismo-resistente-en-acero-55a753d098c35
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Diseño Sismo-Resistente en Acero 1.- Porticos Resistentes a Momentos (MRF) 1.4 Clasificación según su nivel de Desempeño sismorresistente.
1.4.1 Special Moment Frames (SMF). Pórticos Especiales a Momento.
• Sistemas capaces de desarrollar incursiones inelásticas Significativas, de manera estable.
1.4.2 Intermediate Moment Frames (IMF). Pórticos Intermedios a Momento. • Sistemas capaces de desarrollar incursiones inelásticas Moderadas, de manera estable.
1.4.3 Ordinary Moment Frames (OMF). Pórticos Intermedios a Momento.
• Sistemas con una capacidad inelástica muy Limitada. Su desempeño esta basado en el rango elástico.
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF)
a) Limitaciones en Vigas. (9.4 AISC Seismic Provisions ) a.1) Relación Ancho-Espesor (Perfiles Doble T): Las secciones deben ser Compactas Sísmicas (ps), a fin de limitar el pandeo local.
Alas de Vigas b f 2t f
0.30
E s F y
Alma de Vigas
E s h ≤2 .45 t w F y
b f t f h
a.2) Alas de Vigas (Perfiles Doble T): : No se permite alterar las alas de las vigas en la zona de rótulas plásticas, a menos que se demuestre a través de ensayos calificados que la misma puede lograr en dicha región incursiones inelásticas estables.
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t w
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) b) Limitaciones en Columnas. (9.4 AISC Seismic Provisions ) b.1) Relación Ancho-Espesor (Perfiles Doble T): Las secciones deben ser Compactas Sísmicas (ps), a fin de limitar el pandeo local.
Alas de Columnas
b f 2 t f
E s ≤0 .30 F y
b f t f
Alma de Columnas P u P y
≤0 .125
P u 0 .125 P y
h
h E s P u ≤3 .14 1 1.54 t w F y P y
h E P E 1.12 s 2 .33 u 1.49 s t w F y P y F y
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t w
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) c) Arriostramiento Lateral de Vigas (9.8 AISC Seismic Provisions ) Las Alas de las Vigas del sistema resistente a sismos deben estar debidamente arriostradas lateralmente para controlar el pandeo lateral torsional de las mismas.
E Lb 0 .086 r y F y
Lb = Distancia entre arriostramientos laterales r y = Radio de Giro Menor Pandeo Lateral Torsional
Arriostramientos Laterales
Lb
Lb
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF)
Lb
Viga del Sistema Resistente a
Arriostramiento Lateral
Sismos (SMF)
Ambas Alas Soportadas Lateralmente
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) d) Planchas de Continuidad (9.5 AISC Seismic Provisions ) d.1) En las Uniones Viga-Columna deben incorporarse planchas de continuidad de conformidad a las conexiones precalificadas utilizadas y siguiendo los parámetros mínimos que se describen a continuación:
t cp
t cp t bf
t bf-1
t bf-2
t cp ≥ 1/2 t bf
t cp ≥ Mayor Valor entre (t bf-1 y t bf-2 ) http://slidepdf.com/reader/full/diseno-sismo-resistente-en-acero-55a753d098c35
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) d) Planchas de Continuidad (9.5 AISC Seismic Provisions ) d.2) Podrian Omitirse las Planchas de Continuidad si se presentan las siguientes condiciones: .- Si al Realizar el Análisis y Diseño de la Conexión Precalificada, no son requeridas las planchas de continuidad para las fuerzas concentradas en la Columna debido a los Momentos Máximos probables provenientes de las vigas. .- Si se cumple que:
t cf 0 .4 1.8 b bf t bf
R yb F yb R yc F yc
tcf
6
= Espesor del Ala de la Columna Ryb = Factor de sobre-resistencia en Vigas
bbf = Ancho del Ala de la Viga tbf
t cf
b bf
Ryc = Factor de sobre-resistencia en Columnas
= Espesor del Ala de la Viga
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) e) Relación de Momentos Columna-Viga (9.6 AISC Seismic Provisions ) e.1) Para establecer un Criterio Columna Fuerte – Viga Débil, debe cumplirse en cada junta la Relación de Momentos presentada, salvo algunas excepciones.
* M pc 1.0 * M pb
De no cumplirse la relación de momentos presentada podria generarse un Mecanismo de colapso de piso al desarrollarse rótulas plásticas en columnas del mismo nivel.
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) e) Relación de Momentos Columna-Viga (9.6 AISC Seismic Provisions ) e.2) Definición de Momentos Máximos Probables en Vigas y Columnas.
Sumatoria de las resistencias teóricas a flexión plástica de las M pc columnas incluyendo la reducción de la carga axial mayorada, ubicadas en los extremos (superior e inferior) de las conexiones a momentos de las vigas, proyectadas sobre en el punto de intersección de los ejes baricéntricos de vigas y columnas que concurren al nodo. *
M
* pb
Sumatoria de las resistencias esperadas a flexión ubicadas en las rótulas plásticas de las vigas, proyectadas sobre el punto de intersección de los ejes baricéntricos de las vigas y las columnas que concurren al nodo.
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) e.3) Momentos de Vigas y Columnas en el punto de Intersección de sus ejes baricéntricos. ∑M* pc = M*pc-Superior + M*pc-Inferior
C L
Columna
∑M* pb = M*pb-Izquierda + M*pb-Derecha
M* pc-Superior
M* pb-Derecha
CLViga
M* pb-Izquierda
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M* pc-Inferior
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) d col
e.4) Cálculo de M* pb
Rótula Plástica
Viga Izq.
S h : Distancia donde ocurre la rótula plástica, medida desde la cara de la columna (Depende de la Conexión Utilizada)
Viga Der.
V uv (Der.)
M pr-Izq. V uv (Izq).
M* pb-Izq.
M* pb-der.
s h
s h
s h +d col /2
s h +d col /2
M pr-Der. Rótula Plástica
M* pb = M pr + V uv (s h + d col /2 ) M pr : Resistencia Esperada a Flexión actuando en la rótula plástica de la viga V uv : Resistencia Esperada a Corte actuando en la rótula plástica de la viga http://slidepdf.com/reader/full/diseno-sismo-resistente-en-acero-55a753d098c35
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) e.5) Definición de M pr y V uv s h
s h Rótula Plástica
Lh Q = (1.2 CP + 0.5 CV )
M pr
M pr V uv
M pr = 1.1Ry Mp = 1.1Ry Zb Fyb V uv = (2 Mpr / Lh ) + V g
V uv
V g = QLh / 2
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) e.6) Cálculo de M* pc
Columna Superior.
V uc superior
M pc-Sup. M* pc-Sup.
M* pc-Inf. M pc-Inf.
d viga
V uc inferior
Columna Inferior. M* pc = M pc + V uc ( d viga /2 ) M pc : Resistencia Teórica a Flexión de la Columna incluyendo la Carga Axial Mayorada. V uc : Resistencia Esperada a Corte de la Columna actuando en la cara de la viga
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Diseño Sismo-Resistente en Acero M pc
Porticos Especiales de Momento (SMF) V uc
e.7) Definición de M pc y V uc
P uc
Lv : Luz libre de la Columna
Punto de Inflexión.
Lv
Lv : Luz libre de la Columna
M pc = Z c ( F yc - P uc /Ag )
V uc
V uc = (2 Mpc / Lv )
P uc : Carga Axial Mayorada actuando en la columna.
M pc
Ag : Area gruesa de la columna. http://slidepdf.com/reader/full/diseno-sismo-resistente-en-acero-55a753d098c35
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) Predimensionado de Columnas:
M M
Este término se desprecia de forma conservadora para estimar la Columna.
*
pc *
1.0
pb
M* pc = Zc (Fyc - P uc / Ag ) + 2 Zc (Fyc - P uc / Ag )
(d viga /2)
Lv
M* pc = Zc (Fyc - P uc / Ag )
M* pb = 1.1Ry Zb Fyb + 2(1.1Ry Zb Fyb ) + V g (s h + d col /2 ) Lh
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) Para Fines Prácticos, se tiene: M* pc = (1- ) Zc Fyc
P uc / Ag = Fyc V g = 0.70 2(1.1Ry Zb Fyb ) Lh
S h = 0.035 Lh d col = 0.060 Lh M* pb = 1.1Ry Zb Fyb + 1.70 2(1.1Ry Zb Fyb )
(0.065 Lh )
Lh
M* pb = 1.1Ry Zb Fyb ( 1 + 0.22) M* pb = 1.34 Ry Zb Fyb
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) Caso 1: Dos Vigas Conectadas en las Alas (Eje Mayor) de una Columna con Acero A-36 y Considerando: * M pc R = 1.5 ; F = F
M
*
pb
1.0
y
yc
yb
Suma M* = 2 (0.80 Z F ) pc
xc
yc
Suma M* pb = 2 (1.34 Ry Zxb Fyb ) 2 (0.80 Zxc Fyc)
x
≥1
x y
2 (1.34 Ry Zxb Fyb ) 0.40 Zxc ≥ 1 Zxb
Zxc ≥ 2.50 Zxb
Zxc : Módulo Plástico de la Columna Respecto a su Eje Mayor Zxb : Módulo Plástico de la Viga Respecto a su Eje Mayor
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) Caso 2: Una Viga Conectada en el Ala (Eje Mayor) de una Columna con Acero A-36 Considerando: y
M M
*
pc *
pb
1.0
Ry = 1.5 ; Fyc = Fyb
Suma M* pc = 2 (0.80 Zxc Fyc) Suma M* pb = 1.34 Ry Zxb Fyb ) 2 (0.80 Zxc Fyc)
x
≥1
(1.34 Ry Zxb Fyb ) 0.80 Zxc ≥ 1 Zxb
x
y
Zxc ≥ 1.25 Zxb
Zxc : Módulo Plástico de la Columna Respecto a su Eje Mayor Zxb : Módulo Plástico de la Viga Respecto a su Eje Mayor
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) Caso 3: Dos Vigas Conectadas en las Alas (Eje Mayor) de una Columna con acero A-572 G50. y Considerando: * M pc Ry = 1.1 ; Fyc = Fyb 1.0 * M pb Suma M* pc = 2 (0.85 Zxc Fyc) x Suma M* pb = 2 (1.34 Ry Zxb Fyb ) x
2 (0.85 Zxc Fyc) 2 (1.34 Ry Zxb Fyb ) 0.576 Zxc ≥ 1 Zxb
≥1
y
Zxc ≥ 1.74 Zxb
Zxc : Módulo Plástico de la Columna Respecto a su Eje Mayor Zxb : Módulo Plástico de la Viga Respecto a su Eje Mayor
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) Caso 4: Una Viga Conectada en el Ala (Eje Mayor) de una Columna con acero A-572 G50. y Considerando: * M pc R = 1.1 ; F = F
M
*
1.0
y
yc
yb
pb
Suma M* pc = 2 (0.85 Zxc Fyc) Suma M* pb = (1.34 Ry Zxb Fyb ) 2 (0.85 Zxc Fyc)
x
≥1
(1.34 Ry Zxb Fyb ) 1.152 Zxc ≥ 1 Zxb
x
y
Zxc ≥ 0.87 Zxb
Zxc : Módulo Plástico de la Columna Respecto a su Eje Mayor Zxb : Módulo Plástico de la Viga Respecto a su Eje Mayor
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) Caso 5: Dos Vigas Conectadas en el Alma (Eje Menor) de una Columna con Acero A-36 y Considerando: * M pc 1.0 Ry = 1.5 ; Fyc = Fyb * M pb
Suma M* pc = 2 (0.80 Zyc Fyc) x Suma M* pb = 2 (1.34 Ry Zxb Fyb ) 2 (0.80 Zyc Fyc)
≥1
2 (1.34 Ry Zxb Fyb ) 0.40 Zyc ≥ 1 Zxb
x
y
Zyc ≥ 2.50 Zxb
Zyc : Módulo Plástico de la Columna Respecto a su Eje Menor Zxb : Módulo Plástico de la Viga Respecto a su Eje Mayor
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) Caso 6: Una Viga Conectada en el Alma (Eje Menor) de una Columna con Acero A-36 y Considerando: * M pc 1.0 Ry = 1.5 ; Fyc = Fyb * M pb
Suma M* pc = 2 (0.80 Zyc Fyc) Suma M* pb = (1.34 Ry Zxb Fyb ) 2 (0.80 Zyc Fyc)
x
≥1
(1.34 Ry Zxb Fyb ) 0.80 Zyc ≥ 1 Zxb
x
y
Zyc ≥ 1.25 Zxb
Zyc : Módulo Plástico de la Columna Respecto a su Eje Menor Zxb : Módulo Plástico de la Viga Respecto a su Eje Mayor
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) Caso 7: Dos Vigas Conectadas en el Alma (Eje Menor) de una Columna con Acero A-572 G50 y Considerando: * M pc 1.0 Ry = 1.1 ; Fyc = Fyb * M pb
Suma M* pc = 2 (0.85 Zyc Fyc) x Suma M* pb = 2 (1.34 Ry Zxb Fyb ) 2 (0.85 Zyc Fyc)
≥1
2 (1.34 Ry Zxb Fyb ) 0.576 Zyc ≥ 1 Zxb
x
y
Zyc ≥ 1.74 Zxb
Zyc : Módulo Plástico de la Columna Respecto a su Eje Menor Zxb : Módulo Plástico de la Viga Respecto a su Eje Mayor
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) Caso 8: Una Viga Conectada en el Alma (Eje Menor) de una Columna con Acero A-572 G50 y Considerando: * M pc 1.0 Ry = 1.1 ; Fyc = Fyb * M pb
Suma M* pc = 2 (0.85 Zyc Fyc) Suma M* pb = 1.34 Ry Zxb Fyb 2 (0.85 Zyc Fyc)
x
≥1
(1.34 Ry Zxb Fyb ) 1.152 Zyc ≥ 1 Zxb
x
y
Zyc ≥ 0.87 Zxb
Zyc : Módulo Plástico de la Columna Respecto a su Eje Menor Zxb : Módulo Plástico de la Viga Respecto a su Eje Mayor
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) Resumen a Través de Tablas. y
* M pc *
Conexión con 2 Vigas
1. 0
M pb
x
x Conexión con 1 Viga
y
Zxc / Zxb
Relacion Minima de Módulos Plásticos bajo la condicion de Vigas Conectadas en las Alas (Eje Mayor) de la Columna con Perfiles Doble T
Numero de Vigas
A36
A36 (plates)
A572 G42
A992
A572 G50
A588
Dos
2,50
2,18
1,80
1,74
1,74
1,74
Una
1,25
1,09
0,90
0,87
0,87
0,87
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) Resumen a Través de Tablas. y
* M pc *
Conexión con 2 Vigas
1. 0
M pb
x
x Conexión con 1 Viga
y
Zyc / Zxb
Relacion Minima de Módulos Plásticos bajo la condicion de Vigas Conectadas en el Alma (Eje Menor) de la Columna con Perfiles Doble T
Numero de Vigas
A36
A36 (plates)
A572 G42
A992
A572 G50
A588
Dos
2,50
2,18
1,80
1,74
1,74
1,74
Una
1,25
1,09
0,90
0,87
0,87
0,87
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) f) Conexiones Viga-Columna (9.2 AISC Seismic Provisions ) f.1) Las Conexiones Viga-Columna del sistema resistente a sismo tipo “SMF” deben satisfacer los siguientes requisitos: .- Deben ser capaces de desarrollar una deriva de piso “ ” (rotación plástica) igual o mayor a 0.04 rad. .- Deben ser diseñadas de acuerdo a la Resistencia Esperada a Flexión de la Viga Conectada en la cara de la columna. Ademas, las conexiones deben desarrollar como mínimo un Momento Resistente igual a 0.80M p de la viga conectada, para una deriva de piso “ ” (rotación plástica) de 0.04 rad. .- Deben ser diseñadas a corte considerando el desarrollo de rótulas plásticas en los extremos de la viga conectada: Donde:
V uv = (2 Mpr / Lh ) + V g
M pr = 1.1 R y M p = 1.1 R y Z b F yb (Momento máximo esperado en la Viga) Lh = Longitud entre rótulas plásticas V g = Corte proveniente de las cargas gravitacionales mayoradas
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) .- Despues de completar al menos un ciclo de carga con 0.04 radianes, la resistencia a flexion medida en la cara de la columna, debe ser al menos 0.80 M p de la viga conectada. A continuación se presenta el Ciclo de Histéresis Típico Esperado. ) s p 40000 i k n i ( a 30000 n m u l o 20000 C a l e 10000 d a r a 0 C a l n e -10000 a i g V a -20000 l e d o -30000 t n e m o -40000 M
M0.04 0.8 M p
0.8 Mp
- 0.8 Mp
-0.08
M 0.04 0.8 M p
-0.06
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08
Deriva de Piso (rad)
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) Δ Carga Cíclica
Hcolumna
Deriva de Piso
=
Δ
Hcolumna
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) f) Conexiones Viga-Columna (9.2 AISC Seismic Provisions ) f.2) Deben Utilizarse Conexiones Precalificadas ANSI/AISC 358 “Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications "
• Conexión con Plancha Extrema (End Plate) De
4 Pernos por Ala “No rigidizada” (4E)
De 4 Pernos por Ala “Rigidizada” (4ES)
De 8 Pernos por Ala “Rigidizada” (8ES)
• Viga de Secció n Reducida (RBS)
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) f) Conexiones (9.2 AISC Seismic Provisions ) • Conexión con Plancha Extrema (End Plate). 6.2 AISC “Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications "
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) Ejemplos de Conexiones con Plancha Extrema
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF)
Ejemplos de Conexiones con Plancha Extrema
Nota: El espesor de la Plancha Extrema es aproximadamente 2.5 veces el espesor del Ala de la Viga que conecta para perfiles Doble T.
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) f) Conexiones (9.2 AISC “Seismic Provisions” )
• Conexión con Viga de Secció n Reducida (RBS). 6.2 AISC “Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications "
Sección Reducida
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF)
Ejemplos de Conexiones con Viga de Sección Reducida (BRS)
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) g) Conexiones Viga-Columna con Arriostramiento Lateral (9.7a AISC Seismic Provisions )
g.1) En las conexiones Viga – Columna del sistema resistente a sismo tipo “SMF”, las alas de la columna se podrán arriostrar lateralmente solo en el nivel de las alas superiores de las vigas, cuando se demuestre que fuera de la zona del panel, la columna permanece elástica. Se considera que la columna permanece elástica cuando la relación de Momentos Columna/Viga es mayor que 2.00 * M pc * 2 .0 M pb
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF)
g) Conexiones Viga-Columna con Arriostramiento Lateral (9.7a AISC Seismic Provisions ) g.2) Si la relación de Momentos Columna/Viga es menor a 2.00, se aplicarán las siguientes disposiciones:
Las alas de la columna estarán soportadas lateralmente al nivel de ambas alas de las vigas.
El soporte lateral de cada ala de columna se diseñará para una solicitación mayorada igual al dos por ciento (2 %) de la resistencia teórica del ala de la viga (Fyb bf tf ).
Las alas de la columna se soportarán lateralmente, directa o indirectamente, por medio del alma de la columna o de las alas de las vigas perpendiculares.
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) h) Conexiones Viga-Columna sin Arriostramiento Lateral (9.7b AISC Seismic Provisions )
h.1) Las columnas con conexiones Viga-Columna sin soporte lateral en la dirección transversal al del pórtico sísmico, se diseñarán utilizando la distancia entre los soportes laterales adyacentes como la altura de la columna para efectos del pandeo en dicha dirección. El diseño se realizará de acuerdo con el Capítulo (H)que: de la Norma ANSI/AISC 360-05 “Specification for Structural Steel Buildings”, excepto h.1.1) La solicitación mayorada sobre la columna se calculará para las combinaciones de cargas establecidas, siendo la acción sísmica S el menor valor entre: La fuerza sísmica amplificada Ωo SH ,donde SH representa la componente horizontal de la fuerza sísmica. Ciento veinticinco por ciento (125 %) la resistencia minorada del pórtico, calculada como la resistencia minorada a flexión de la viga o la resistencia minorada a corte de la zona del panel.
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) h) Conexiones Viga-Columna sin Arriostramiento Lateral (9.7b AISC Seismic Provisions )
h.1.2) Para estas columnas, la relación de esbeltez L/r no excederá de 60. h.1.3) En dirección transversal al pórtico sísmico, el momento mayorado en la columna deberá incluir el momento generado por la fuerza en el ala de la viga, como se especifica en la sección 9.7a, más el momento de segundo orden que resulta del desplazamiento del ala de la columna.
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) I) Zona del Panel (9.3 AISC Seismic Provisions )
i.1) Distribución de Fuerzas en la Zona del Panel (Junta Viga-Columna)
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) d col
i.2) Cálculo de M f
Rótula Plástica
Viga Izq.
M pr-Izq. V uv (Izq).
M f1. s h
S h : Distancia donde ocurre la rótula plástica, medida desde la cara de la columna (Depende de la Conexión Utilizada)
Viga Der.
M f2 s h
V uv (Der.) M pr-Der. Rótula Plástica
M f = M pr + V uv x s h M f : Resistencia Esperada a Flexión actuando en la cara de la Columna M pr : Resistencia Esperada a Flexión actuando en la rótula plástica de la viga V : Resistencia Esperada a Corte actuando en la rótula plástica de la viga uv
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) s h
i.3) Definición de M pr y V uv
s h
Rótula Plástica
Lh Q = (1.2 CP + 0.5 CV )
M pr
M pr V uv
M pr = 1.1Ry Mp = 1.1Ry Zb Fyb V uv = (2 Mpr / Lh ) + V g
V uv
V g = QLh / 2
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Diseño Sismo-Resistente en Acero
M pc
Porticos Especiales de Momento (SMF) V uc
i.4) Definición de M pc y V uc
P uc
Lv : Luz libre de la Columna
Punto de Inflexión.
Lv
Lv : Luz libre de la Columna
M pc = Z c ( F yc - P uc /Ag )
V uc
V uc = (2 Mpc / Lv )
P uc : Carga Axial Mayorada actuando en la columna. A : Area gruesa de la columna.
M pc
g
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) j) Zona del Panel (9.3 AISC Seismic Provisions )
j.1) Diseño de la Zona del Panel (Junta Viga-Columna)
R u v R v
Ru
M
f
d b t f
donde v = 1.0
V uc
Resistencia Nominal basada en el estado límite de cedencia por Corte J10.6 AISC “Specification for Structural Steel Buildings”
Resistencia Requerida por Corte
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) j) Zona del Panel (9.3 AISC Seismic Provisions ) j.2) Definición de R v (Resistencia a Corte)
Cuando P u 0.75 P y en la Columna: 2 3 b cf t cf R v 0 .6 F y d c t p 1 d b d c t p
(AISC Spec EQ J10-11)
Cuando P u > 0.75 P y en la Columna (No Recomendado): 2 3 b cf t cf 1.2 P u R v 0 .6 F y d c t p 1 1.9 d d t P b c p y
(AISC Spec EQ J10-12)
P u : Carga Axial Mayorada actuando en la zona del Panel
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) j) Zona del Panel (9.3 AISC Seismic Provisions )
t p b cf
j.3) Parámetros de la Zona del Panel
P = F A y
y g
d c
=
Altura de la Columna
d b
=
Altura de la Viga
Zona del Panel
b cf =
An ch o d el Ala d e l a Co lu mn a
t cf F y
Espesor del Ala de la Columna Resistencia Cedente de la Columna
= =
A g =
t cf
d b
d c
Area Gruesa de la Columna
t p = Espesor Total del Alma de la Columna, incluyendo las planchas adosadas de refuerzo
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) j) Zona del Panel (9.3 AISC Seismic Provisions)
j.4) Incorporación de planchas de refuerzo en el alma de columnas en la zona del panel.
Si R > v R u
Requiere planchas de refuerzo
v
planchas de refuerzo adosadas al alma
Tipo 1
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Tipo 2
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Diseño Sismo-Resistente en Acero Porticos Especiales de Momento (SMF) j) Zona del Panel (9.3 AISC Seismic Provisions)
Determinacion del Espesor Total de planchas de refuerzo en el alma de columnas en la zona del panel.
t dp req 'd
Plancha biselada y unida a las alas de la columna con soldadura de filete.
Ru v R v 0 .60 F yp W z
W z d c 2 t fc
W z
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Plancha unida a las alas de la columna con soldadura de penetración completa.
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2.- Porticos con Arriostramientos Concéntricos (CBF) 2.1 Caracteristicas. • Sistema de vigas, columnas y arriostramientos concéntricos. • Sistemas con desarrollo de deformaciones y fuerzas axiales
significativas.
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2.- Porticos con Arriostramientos Concéntricos (CBF) 2.2 Tipos de Sistemas Concéntricos.
V-Invertida
Simple
X (1 piso)
V
X (2 Pisos)
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2.- Porticos con Arriostramientos Concéntricos (CBF) 2.2 Tipos de Sistemas Concéntricos.
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2.- Porticos con Arriostramientos Concéntricos (CBF) 2.3 Respuesta Estructural ante Sismos.
n ó i c c a r T
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C o m p r e s i ó n
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2.- Porticos con Arriostramientos Concéntricos (CBF) 2.4 Desempeño Estructural. • Sistemas capaces de desarrollar ductilidad, disipación de Energía e incursiones inelásticas moderadas. • Sistemas con una gran rigidez. • Los mecanismos que pueden presentarse son: Cedencia
Tracción
Compresión
Compresión
Tracción
en los
arriostramientos en Tracción. Pandeo en los arriostramientos en Compresión.
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2.- Porticos con Arriostramientos Concéntricos (CBF) 2.5 Diagrama de Histéresis de un Arriostramiento Concéntrico.
P Tracción
Esquema General
Acortamiento
Alargamiento
P
Compresión
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2.- Porticos con Arriostramientos Concéntricos (CBF) 2.5 Diagrama de Histéresis de un Arriostramiento Concéntrico. Primera Fase: Se carga axialmente el elemento a Compresión.
P Tracción
1. Representa la capacidad a compr esión definida por el pandeo del elemento.
Acortamiento
Alargamiento
P 1
PC Compresión
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2.- Porticos con Arriostramientos Concéntricos (CBF) 2.5 Diagrama de Histéresis de un Arriostramiento Concéntrico. Primera Fase: Se carga axialmente el elemento a Compresión.
P Tracción
1. Representa la capacidad a compresión definida por el pandeo del elemento. 2. Representa la resistencia remanente a compresión (Post-Pandeo). Se genera una rótula plástica en el centro d el elemento
Alargamiento
Acortamiento 2 1
PC
Rótula Plástica Δ
P
Compresión
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2.- Porticos con Arriostramientos Concéntricos (CBF) 2.5 Diagrama de Histéresis de un Arriostramiento Concéntrico. Segunda Fase: Se descarga axialmente el elemento (P = 0)
P Tracción
3.
Representa la deformación (acortamiento) r eman en te d el elemen to g en er ad a al su per ar su capacidad elástica a compresión.
3
Alargamiento
Acortamiento 2 1
PC Compresión
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2.- Porticos con Arriostramientos Concéntricos (CBF) 2.5 Diagrama de Histéresis de un Arriostramiento Concéntrico. Tercera Fase: Se carga axialmente el elemento a tracción.
P Tracción Py
4
4. Representa la capacid ad cedente del elemento a tracción.
3
Alargamiento
Acortamiento 2 1
PC
P
Compresión
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2.- Porticos con Arriostramientos Concéntricos (CBF) 2.5 Diagrama de Histéresis de un Arriostramiento Concéntrico. Cuarta Fase: Se descarga axialmente el elemento (P = 0)
P Tracción
4
Py
5. Representa la deformación (alargamiento) remanente en el elemento al sup erar la capacidad elástica.
5
3
Alargamiento
Acortamiento 2 1
PC Compresión
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2.- Porticos con Arriostramientos Concéntricos (CBF) 2.5 Diagrama de Histéresis de un Arriostramiento Concéntrico. Quinta Fase: Se carga axialmente el elemento a compresión (Segundo Ciclo).
P Tracción
4
Py
6. Representa la capacidad a Compresión “ Reducida” por el primer ciclo. 7. Representa la capacidad a compresión para cuando se forma nuevamente la rótula plástica en el medio del elemento.
Acortamiento
5
3
Alargamiento
7 2
6 1
PC
Rótula Plástica
P
Compresión
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2.- Porticos con Arriostramientos Concéntricos (CBF) 2.5 Diagrama de Histéresis de un Arriostramiento Concéntrico.
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2.- Porticos con Arriostramientos Concéntricos (CBF) 2.6 Clasificación según su nivel de Desempeño sismorresistente.
2.6.1 Special Concentrically Braced Frames (SCBF). Pórticos Especiales
de arriostramientos Concéntricos.
• Sistemas capaces de desarrollar incursiones inelásticas Moderadas, de manera estable.
2.6.2 Ordinary Concentrically Braced Frames (OCBF). Pórticos Ordinarios
de arriostramientos Concéntricos.
Sistemas con una capacidad inelástica muy Limitada. Su desempeño •esta basado en el rango elástico.
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Porticos Especiales de arriostramientos Concéntricos (SCBF) a) Limitaciones en Miembros. (13.2 AISC Seismic Provisions ) a.1) Relación Ancho-Espesor en arriostramientos (13.2.d AISC S-P). Las secciones deben ser Compactas Sísmicas (ps), a fin de limitar el pandeo local.
Alas de Arriostramientos
b f
E s
2t f ≤0.30
F y
b f
Alma de Arriostramientos a Flexo-Compresion P u P y
t f
h E s P u ≤3 .14 1 1.54 ≤0 .125 t w F y P y
h
P u 0 .125 h 1.12 E s 2 .33 P u 1.49 E s P y P y t w F y F y
Alma de Arriostramientos en Compresión Pura
h t w
1.49
E s F y
t w
Nota: Las Vigas solo deben ser Compactas.
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Porticos Especiales de arriostramientos Concéntricos (SCBF) a) Limitaciones en Miembros. (13.2 AISC Seismic Provisions ) a.2) Relación Ancho-Espesor en Columnas (13.2.d AISC S-P). Las secciones deben ser Compactas Sísmicas (ps), a fin de limitar el pandeo local. b f
Alas de Columnas
b f 2 t f
≤0 .30
E s F y
Alma de Columnas P u P y
t f
h E s P u ≤ 3 . 14 1 1 . 54 ≤0 .125 P y t w F y
P u 0 .125 h 1.12 E s 2 .33 P u 1.49 E s P y t w F y P y F y
h t w
Nota: Se exige que las vigas sean por lo menos Compactas en Alas y Almas (p).
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Porticos Especiales de arriostramientos Concéntricos (SCBF) a) Limitaciones en Miembros. (13.2 AISC Seismic Provisions ) a.3) Resistencia Esperada en Arriostramientos (13.2.b AISC S-P). a.3.1) Arriostramientos a Tracción
P
P Pt = Py
Resistencia Esperada Pt = R y F y Ag
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Porticos Especiales de Arriostramientos Concéntricos (SCBF) a) Limitaciones en Miembros. (13.2 AISC Seismic Provisions ) a.3) Resistencia Esperada en Arriostramientos (13.2.b AISC S-P). a.3.2) Arriostramientos a Compresión
P Resistencia Esperada
Presidual 0.3 Pn
Pc = 1.1 R y P n
Pc
( P n = Ag F cr ) Take Presidual = 0.3 P n
P
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Porticos Especiales de arriostramientos Concéntricos (SCBF) a) Limitaciones en Miembros. (13.2 AISC Seismic Provisions ) a.4) Esbeltez en Arriostramientos (13.2.a AISC S-P). Los arriostramientos deben tener una relación de esbeltez muy controlada, a fin de limitar el pandeo local. Relación de Esbeltez Máxima Aplicable si se cumple la Condición “A” o la Condición “B”
E KL 4 F y r
4 E F y
KL r
200
Relación de Esbeltez Máxima Aplicable sólo si se cumple con la Condición “B”
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Porticos Especiales de arriostramientos Concéntricos (SCBF) a) Limitaciones en Miembros. (13.2 AISC Seismic Provisions ) Condición A:
C
La resistencia disponible de las columnas debe ser igual o mayor a la demanda impuesta en las mismas, considerando la Amplificación de la fuerza sísmica condicionada por el factor “ Ωo”
Ω0 = T
2
QE : Acción Sísmica
C
T
C
Ω0 Q E
Ω0 Q E
- Pgrav 2
Pgrav 1 : [ (1.2 + 0.2S DS ) CP + 0.5CV ]
+ Pgrav 1
T
Pgrav 2 : (0.9 - 0.2S DS ) CP
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Porticos Especiales de arriostramientos Concéntricos (SCBF) a) Limitaciones en Miembros. (13.2 AISC Seismic Provisions ) Condición B:
R y F y Ag
L a r esisten ci a d ispon ibl e d e l as co lum nas d ebe ser igual o mayor a la demanda impuesta en las
0.3 P n
mismas, considerando en elenequilibrio del pórtico, la resistencia esperada cada uno de los arriostramientos condicionada por el factor “ Ry” a tracción y el efecto de post-pandeo a compresión.
R y F y Ag
(Resistencia Axial a Compresión 0.3 P n R y F y Ag
Requerida en Columnas) [ (R y F y Ag ) cos + (0.3 P n ) cos ] + Pgrav Donde:
0.3 P n
Pgrav : [ (1.2 + 0.2S DS ) CP + 0.5CV ]
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Porticos Especiales de arriostramientos Concéntricos (SCBF) a) Limitaciones en Miembros. (13.2 AISC Seismic Provisions ) Condición B:
0.3 P n
La resistencia disponible de las columnas debe ser igual o mayor a la demanda impuesta en las R F A
mismas, en el en equilibrio pórtico, laconsiderando resistencia esperada cada uno del de los arriostramientos condicionada por el factor “Ry” a tracción y el efecto de post-pandeo a compresión.
(Resistencia Axial a Tracción Requerida en Columnas)
y y g
0.3 P n
R y F y Ag
0.3 P n
[ (R y F y Ag ) cos + (0.3 P n ) cos ] - Pgrav Donde:
R y F y Ag
Pgrav : (0.9 - 0.2S DS ) CP
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Porticos Especiales de arriostramientos Concéntricos (SCBF) a) Limitaciones en Miembros. (13.2 AISC Seismic Provisions ) a.5) Distribución de Fuerzas Laterales (13.2.c AISC S-P). Los arriostramientos se dispondrán a lo largo de cualquier línea resistente en direcciones alternadas, en forma tal que para cualquier dirección de la fuerza, paralela al arriostramiento, por lo menos un treinta por ciento (30%), pero no más del setenta por ciento (70 %), de la fuerza horizontal total, sea resistida por los arriostramientos traccionados, a menos que la resistencia teórica Nt , de cada arriostramiento comprimido sea mayor que la solicitación mayorada que resulta al aplicar las combinaciones que incluyen la carga sísmica amplificada a través del factor Ω0. La disposición debe ser alternante a fin de obtener una respuesta estructural estable y similar, en ambos sentidos de la acción sísmica. Se define como línea de arriostramiento, una línea única o líneas paralelas que no se desvíen en planta más de un diez por ciento (10 %) de la dimensión de la edificación perpendicular a la línea de arriostramiento.
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Porticos Especiales de arriostramientos Concéntricos (SCBF) a) Limitaciones en Miembros. (13.2 AISC Seismic Provisions ) a.5) Distribución de Fuerzas Laterales (13.2.c AISC S-P). Linea Resistente Disposición Incorrecta de Arriostramientos debido a que todos los miembros estan a compresión. (Arriostramientos orientados en una sola Dirección) Linea Resistente
( Arriostramientos “Alternados” )
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Disposición Correcta de Arriostramientos debido a que hay una adecuada proporcionalidad de miembros a compresión y a tracción.
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Porticos Especiales de arriostramientos Concéntricos (SCBF) a) Limitaciones en Miembros. (13.2 AISC Seismic Provisions ) a.5) Distribución de Fuerzas Laterales (13.2.c AISC S-P).
Arriostramientos Sx By
L Los ejes 1 y 2 pertenecen a una misma línea de arriostramiento siempre y cuando la distancia “L” entre ellos sea menor o igual al 10% del ancho (By) de la planta.
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Porticos Especiales de arriostramientos Concéntricas (SCBF) b) Resistencia Requerida en Conexiones de Arriostramientos. (13.3 AISC Seismic Provisions ) b.1) Resistencia Requerida a Tracción (13.3.a AISC S-P). La solicitación en las Conexiones de Arriostramientos, incluyendo las uniones Viga-Columna que son parte del sistema de arriostramiento, deberá ser el menor de los siguientes valores:
b.1.1) La Resistencia Teórica Esperada en el Arriostramiento.
Pt = R y F y Ag
Caso Recomendado
b.1.2) La fuerza máxima que el sistema puede transferir al arriostramiento obtenida del análisis “No Lineal”
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Porticos Especiales de arriostramientos Concéntricas (SCBF) b) Resistencia Requerida en Conexiones de Arriostramientos. (13.3 AISC Seismic Provisions ) b.1) Resistencia Requerida a Tracción (13.3.a AISC S-P).
P t = R y F y Ag
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Porticos Especiales de arriostramientos Concéntricas (SCBF) b) Resistencia Requerida en Conexiones de Arriostramientos. (13.3 AISC Seismic Provisions ) b.2) Resistencia Requerida a Flexión (13.3.b AISC S-P). .- Para arriostramientos “ Empotrados” , las ró tulas plásticas a flexión se forman en el centro y en los extremos del Miembro. Esto genera que los arrio stramientos transmitan momentos a la conexión y a los miembros unidos a la misma. Rótulas Plásticas
M
M
P
P M = 1.1 R y M p = 1.1 R y F y Z Arriostramiento (Respecto al eje de Pandeo)
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Porticos Especiales de arriostramientos Concéntricas (SCBF) b) Resistencia Requerida en Conexiones de Arriostramientos. (13.3 AISC Seismic Provisions )
1.1 Ry Mp-diagonal
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Porticos Especiales de arriostramientos Concéntricos (SCBF) b) Resistencia Requerida en Conexiones de Arriostramientos. (13.3 AISC Seismic Provisions ) b.2) Resistencia Requerida a Flexión (13.3.b AISC S-P). .- Para arriostramientos “Articulados”, las rótulas plásticas a flexión se forman sólo en el centro del Miembro. Esto genera que los arriostramientos No transmitan momentos a la conexión y a los miembros unidos a la misma.
P
P Rótula Plástica
P
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P
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Porticos Especiales de arriostramientos Concéntricos (SCBF) b) Resistencia Requerida en Conexiones de Arriostramientos. (13.3 AISC Seismic Provisions ) b.3) Resistencia Requerida a Compresión (13.3.c AISC S-P). .- La resistencia requerida a compresión de la conexión deber ser igu al o mayor a la resistencia máxima esperada a compresión d el arriostramiento.
P c = 1.1 R y P n
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Porticos Especiales de arriostramientos Concéntricas (SCBF) Disposición General de una Conexión Articulada. Plancha Nodo “Gusset Plate”
2t
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Porticos Especiales de arriostramientos Concéntricos (SCBF) Ejemplo de Conexion Articulada.
> 2t
Plancha Nodo “Gusset Plate”
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Porticos Especiales de arriostramientos Concéntricos (SCBF) Conexiones con Angulos
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Porticos Especiales de arriostramientos Concéntricos (SCBF) Conexiones con Angulos
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Porticos Especiales de arriostramientos Concéntricos (SCBF) c) Requerimientos Especiales en Configuraciones de Arriostramientos. (13.4 AISC Seismic Provisions ) c.1) Arriostramientos Tipo V y Tipo V “Invertida” (13.4.a AISC S-P).
Tipo “V”
Tipo “V-Invertida”
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Porticos Especiales de arriostramientos Concéntricas (SCBF) c) Requerimientos Especiales en Configuraciones de Arriostramientos. (13.4 AISC Seismic Provisions ) c.1) Arriostramientos Tipo V y Tipo V “Invertida” (13.4.a AISC S-P). c.1.1) La resistencia requerida de las vigas intersectadas por los arriostramientos, sus conexiones y miembros de soporte, deberá s er determinada de acuerdo a las combinaciones de carga aplicables para el diseño de edificaciones, considerando que los arriostramientos no generan soporte a las vigas para las cargas gravitacionales (permanentes y variables). Para las combinaciones que incluyen la carga Sísmica “ E” amplificada, la misma se calculará considerando lo siguiente:
Fuerza en Arriostramientos a Tracción Fuerza en Arriostramientos a Compresión
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R y F y Ag 0.3 P n
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Porticos Especiales de arriostramientos Concéntricos (SCBF) c) Requerimientos Especiales en Configuraciones de Arriostramientos. (13.4 AISC Seismic Provisions ) c.1) Arriostramientos Tipo V y Tipo “V-Invertida” (13.4.a AISC S-P). c.1.2) Distribución de Fuerzas en el Sistema Viga-Arriostramientos
Pgrav = ( 1.2 + 0.2 SDS ) CP + 0.5 CV
Pgrav = ( 1.2 + 0.2 SDS ) CP + 0.5 CV
0.3 P n
( R y F y Ag - 0.3 P n ) sen
R y F y Ag
( R y F y Ag + 0.3 P n ) cos
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Porticos Especiales de arriostramientos Concéntricos (SCBF) c) Requerimientos Especiales en Configuraciones de Arriostramientos. (13.4 AISC Seismic Provisions ) c.1) Arriostramientos Tipo V y Tipo V “Invertida” (13.4.a AISC S-P). c.1.3) Las Vigas deben ser contin uas entre las colum nas. c.1.4) Ambas alas de la viga deben estar sopor tadas lateralmente a una distancia menor que el límite L pd . c.1.5) Ambas alas de la viga deben estar sopor tadas lateralmente en el punto de intersección de los arriostramientos concéntricos.
Lpd
M 1 E 0 .12 0 .076 r y M 2 F y
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Porticos Especiales de arriostramientos Concéntricos (SCBF) c) Requerimientos Especiales en Configuraciones de Arriostramientos. (13.4 AISC Seismic Provisions ) c.2) Arriostramientos Tipo K (13.4.b AISC S-P).
Están prohib idos debido a que se genera un mecanismo po r la falla en la Columna.
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Porticos Especiales de arriostramientos Concéntricos (SCBF) d) Empalmes de Columnas. (13.5 AISC Seismic Provisions ) d.1) Los empalmes de columnas deben diseñarse como mínimo para desarrollar el 50% de la menor r esistencia a flexión de los miembros co nectados.
Mpc-1 Empalme
M > 0.5 Mpc
M pc = Z c ( F yc - P uc /Ag )
Mpc-2
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Porticos Especiales de arriostramientos Concéntricos (SCBF) d) Empalmes de Columnas. (13.5 AISC Seismic Provisions ) d.2) La resistencia requerida por corte en los empalmes de colum nas se establece considerando la resistencia esperada a flexión en los extremos de la column a.
M pc V uc
V = V uc
Lv
V uc = (2 Mpc / Lv )
V uc M pc
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Ejemplo de una Edificación Dual Porticos Especiales de Momento + Arriostramientos Concéntricos
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Ejemplo de una Edificación Dual Porticos Especiales de Momento + Arriostramientos Concéntricos
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3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF) 3.1 Caracteristicas. • Sistema de Columnas, Vigas y Arriostramientos Excentricos • Comportamiento a flexión y corte en Vigas-Eslabón. • Desarrollo de deformaciones axiales en columnas y arriostramientos.
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3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF) 3.2 Tipos de Sistemas Excéntricos.
e
e
e
e
e e
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3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF) 3.3 Ejemplos de Sistemas Excéntricos.
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3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF) 3.4 Definición de Elemento Eslabón “LINK”.
Link
Link
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3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF) 3.5 Respuesta Inelástica.
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3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF) 3.5 Respuesta Inelástica.
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3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF) 3.6 Requisitos Sismorresistentes (15.0 AISC Seismic Provisions ) a) Limitaciones en Miembros. a.1) Relación Ancho-Espesor de Viga-eslabon (15.2a AISC S-P). Las secciones deben ser Compactas Sísmicas (ps), a fin de limitar el pandeo local.
b f
Alas de Viga-Eslabon
Alma de Viga-Eslabon t f
b f 2 t f
E s
h
0 .30 F y
t w
≤
E s
2 .45 F y
h t w
a.2) No se permite incorporar planchas adosadas ni soldaduras de penetración en el alma de los elementos “Eslabones”.
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3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF) 3.6 Requisitos Sismorresistentes (15.0 AISC Seismic Provisions ) a) Limitaciones en Miembros. a.2) Relación Ancho-Espesor de Columnas (15.2a AISC S-P). Las secciones deben ser Compactas Sísmicas (ps), a fin de limitar el pandeo local.
Alas de Columnas
b f 2 t f
≤0 .30
Alma de Columnas P u P y
≤0 .125
b f
E s F y t f
h E s P u ≤3 .14 1 1 . 54 P y t w F y
P u 0 .125 h 1.12 E s 2 .33 P u 1.49 E s P y t w F y P y F y
h t w
Nota: Se exige que los Arriostramientos sean por lo menos Compactos en Alas y Almas (p).
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3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF) b) Comportamiento de Viga-Eslabon (15.2 AISC Seismic Provisions ) b.1) Equilibrio de Fuerzas
e
Equilibrio de Fuerzas
M
en el “ Eslabón”
M V
V
V
Se debe determinar si la resistencia plástica del
M
“ Eslabón” es controlada por Corte o por Flexión
M
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3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF) b) Comportamiento de Viga-Eslabon (15.2 AISC Seismic Provisions ) b.1) Equilibrio de Fuerzas.
e Capacidad Plástica a Corte:
M
M V = V p = 0.6 F y (d - 2t f ) t w V
V Esfuerzo cedente a Corte
V
Area del Alma
Vp = Capacidad Plástica a Corte del Eslabón.
M M
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3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF) b) Comportamiento de Viga-Eslabon (15.2 AISC Seismic Provisions ) b.1) Equilibrio de Fuerzas.
e Capacidad Plástica a Flexión
M
M V
V
M = M p = Z F y Módulo de Sección Plástico
V
Vp = Capacidad Plástica a Flexión del Eslabón.
M M
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3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF) b) Comportamiento de Viga-Eslabon (15.2 AISC Seismic Provisions ) b.2) Equilibrio Plástico de Fuerzas para la Falla Simultánea de Corte y Flexion
e M p
M p V p
2 Mp e Vp
Equilibrio Plástico
V p El Corte y Momento plástico ocurren simultáneamente cuando V=V p and M=M p
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3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF) b) Comportamiento de Viga-Eslabon (15.2 AISC Seismic Provisions ) b.3) Cedencia por Corte del Eslabon.
e La cedencia por Corte ocurre
M V p V = V p
V p
M cuando: M < M p
e ≤
y
V = V p
2Mp Vp
M < M p
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3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF) b) Comportamiento de Viga-Eslabon (15.2 AISC Seismic Provisions ) b.4) Cedencia por Flexion del Eslabon.
e
La cedencia por Flexión
M p
M p V
V < V p
V
ocurre cuando:
M = M p
e ≥
y
V < V p
2Mp Vp
M = M p
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3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF) b) Comportamiento de Viga-Eslabon (15.2 AISC Seismic Provisions ) b.5) Resistencia por Corte ( Vn). (15.2b AISC S-P).
Si P u 0.15 P y
2Mp v = 0.9
V n = Menor valor entre
V p 2M p / e
Controlado por:
Controlado por:
e ≤ Vp e ≥
2Mp Vp
V u v V n Vu: Corte ultimo proveniente del análisis.
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3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF) b) Comportamiento de Viga-Eslabon (15.2 AISC Seismic Provisions ) b.5) Resistencia por Corte ( Vn). (15.2b AISC S-P).
Si P u > 0.15 P y 2
v = 0.9
V n = Menor valor entre
1
Pu
V pa
V pa V p
2M pa / e
Pu M pa 1.18 M p 1 P y
P y
V u v V n Vu: Corte Ultimo proveniente del Análisis. Pu: Carga Axial Ultima proveniente del Análisis P y = A F y
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3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF) b) Comportamiento de Viga-Eslabon (15.2 AISC Seismic Provisions ) b.5) Resistencia por Corte ( Vn). (15.2b AISC S-P).
Si P u > 0.15 P y
e
Adicionalmente la Longitud “e” del Eslabon No debe exceder de:
Aw M p 1.15 0.5 1.6 V p Ag 1.6
Aw Ag
M p V p
Donde:
P u V u
Aw 0.3 Ag 0 .3
Aw d 2t f t w
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3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF) b) Comportamiento de Viga-Eslabon (15.2 AISC Seismic Provisions ) e / (Mp /V p) 0 250 h t g 200 n e r t S r a ) 150 e s h p S i l k ( 100 a n i m o N k n i L
1
2
3
4
5
V n =V p V n =2M p /e
50 0 0
36
72
108
144
180
Link Length e (inches)
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3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF) b) Comportamiento de Viga-Eslabon (15.2 AISC Seismic Provisions ) b.6) Rotación Plástica del Eslabon (p). (15.2c AISC S-P).
p
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3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF) b) Comportamiento de Viga-Eslabon (15.2 AISC Seismic Provisions ) b.6) Rotación Plástica del Eslabon (p). (15.2c AISC S-P). e
p
e
p
p
p
H
H p
p
L
L
L p p
p
e
L p e
H
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3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF) b) Comportamiento de Viga-Eslabon (15.2 AISC Seismic Provisions ) b.6) Rotación Plástica del Eslabon (p). (15.2c AISC S-P).
La Rotación Máxima del Eslabon esta definida por las siguientes condiciones:
p max
0.08 radianes para:
e 1.6 M p / V p
0.02 radianes para:
e 2.6 M p / V p
Interpolación Lineal para valores de “ e” entre : 1.6 M p / V p < e < 2.6 M p / V p
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3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF) b) Comportamiento de Viga-Eslabon (15.2 AISC Seismic Provisions ) b.6) Rotación Plástica del Eslabon (p). (15.2c AISC S-P). 0.1 l e
0.08
p d a ” k m i n 0.06 x i á L “ M n n ó 0.04 ó i b a c l a t s o E 0.02 R
Cedencia por Flexion
Cedencia por Corte
Corte + Flexion
0 0
1
1.6
2
2.6
3
4
5
Longitud del Eslabón “Link”: e/(M p /V p)
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3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF) b) Comportamiento de Viga-Eslabon (15.2 AISC Seismic Provisions ) b.6) Rotación Plástica del Eslabon (p). (15.2c AISC S-P). 15
10 p
p
5
0 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
e/L
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3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF) c) Rigidizadores (15.3 AISC Seismic Provisions )
Long. del Eslabon “ e” Rigidizadores Intermedios
Espesor Mínimo
Deben colocarse rigidizadores completos a ambos lados del alma, al principio y al final del eslabón.
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3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF) c) Rigidizadores (15.3 AISC Seismic Provisions )
e 1.6 M p / V p
s
30 t w - d /5
para p = 0.08 radianes
52 t w - d /5
para p = 0.02 radianes
interpolar
para 0.02 < p < 0.08 radianes
t w = Espesor del alma del Eslabon d = Altura del Eslabon
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e 1.6 M p / V p
e s s s s s
Disposición de Rigidizadores Intermedios.
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3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF) c) Rigidizadores (15.3 AISC Seismic Provisions ) 2.6 M p / V p < e < 5 M p / V p
e 1.5 b f
1.5 b f
b f = Ancho del Ala del Eslabon
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3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF) c) Rigidizadores (15.3 AISC Seismic Provisions ) 1.6 M p / V p < e < 2.6 M p / V p
e > 5 M p / V p
Interpolar
No se Requieren
En general, el espesor Mínimo de los rigidizadores sera el mayor valor entre 0.75 t o 10mm w
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d) Arriostramiento Lateral del Eslabon (15.5 AISC Seismic Provisions )
e
Se requiere arriost ramiento lateral en ambas alas del eslabón, en los extremos del mismo
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d) Arriostramiento Lateral del Eslabon (15.5 AISC Seismic Provisions )
Resistencia requerida del arriostramiento lateral, ubicado en cada extremo del “ Eslabon” .
P b
R F Z 0 .06 y y
Link
h o
h o = Distancia entre los centroides de las alas del eslabon.
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e) Arriostramiento y Viga Fuera de la Zona del Eslabon (15.6 AISC Seismic Provisions )
Vigas Fuera del Eslabon
Arriostramientos
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e) Arriostramiento y Viga Fuera de la Zona del Eslabon (15.6 AISC Seismic Provisions ) V MP V MP
Equilibrio de Fuerzas
M MP
M MP
V MP M MP
M MP
V MP
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e) Arriostramiento y Viga Fuera de la Zona del Eslabon (15.6 AISC Seismic Provisions )
Para el Diseño de la Viga fuera del Eslabon y el Arriostramiento, se define un valor de Corte Máximo Probable en el Eslabon “Link” 15.6a: Para el Diseño del Arriostramiento. 15.6b: Para el Diseño de la Viga. V n = Resistencia Nominal a Corte
e V MP M ult 2
VMP = 1.25 R y V n
V MP = 1.10 R y V n
La Viga fuera del eslabón y el arriostramiento deben permanecer elásticos para cuando o cu rr en las Fu erzas Máximas Pr ob ab les en el Eslabón “Link” a fin de mantener la estabilidad del sistema estructural durante un evento sísmico.
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e) Arriostramiento y Viga Fuera de la Zona del Eslabon (15.6 AISC Seismic Provisions )
15.6.a Diseño de Viga Fuera del Eslabon: • Para fines prácticos se determina un factor de Amplificación sísmica a traves de la relación entre el Corte Máximo Probable y el Corte por Sismo en el Eslabón “ Link” . M MP = e V ult /2 V MP = 1.1 R y V n
1 = 1.1 R y V n
≥ 2
V sismo “Link”
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e) Arriostramiento y Viga Fuera de la Zona del Eslabon (15.6 AISC Seismic Provisions )
15.6.a Diseño de Viga Fuera del Eslabon: • Luego, se aplican las combinaciones de carga incluyendo el Factor de Amplificación para determinar las Cargas Ultimas de Corte, Axial y 1 Momento , en la Viga fuera del Eslabón:
(1.2 + 0.2 SDS) CP + CV + Ω1 QE (0.9 - 0.2 SDS) CP + Ω1 QE
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e) Arriostramiento y Viga Fuera de la Zona del Eslabon (15.6 AISC Seismic Provisions )
15.6.b Diseño del Arriostramiento: • Para fines prácticos se determina un factor de Amplificacion sísmica a traves de la relación entre el Corte Máximo Probable y el Corte por Sismo en el Eslabón “ Link” . M MP = e V MP /2 V MP = 1.25 R y V n
2 = 1.25 R y V n
≥ 2
V sismo “Link”
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e) Arriostramiento y Viga Fuera de la Zona del Eslabon (15.6 AISC Seismic Provisions )
15.6.b Diseño del Arriostramiento: • Luego, se aplican las combinaciones de carga incluyendo el Factor de Amplificación 2 para determinar las Cargas Ultimas de Corte, Axial y Momento, en el Arriostramiento :
(1.2 + 0.2 SDS) CP + CV + Ω2 QE (0.9 - 0.2 SDS) CP + Ω2 QE
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e) Arriostramiento y Viga Fuera de la Zona del Eslabon (15.6 AISC Seismic Provisions )
15.6.c Conexión del Arriostramiento : M MP V MP
La conexión del Arriostramiento en sus extremos debe diseñarse para las fuerzas maximas de Tracción y Compresión que ocurre en el Mismo considerando las combinaciones de carga con el sismo amplificado utilizando el factor 2 1.25 R V y n 2 = V sismo “Link”
≥ 2
(1.2 + 0.2 SDS) CP + CV + Ω2 QE (0.9 - 0.2 SDS) CP + Ω2 QE
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f) Conexiones Viga - Columna (15.7 AISC Seismic Provisions )
Las conexiones Viga - Columna pueden ser dispuestas a Corte Simple o a Momento con los requerimientos de un sistema “ Ordinary Moment Frames”. Estas conexiones deben diseñarse para M MP las Fuerzas máximas que ocurren en el V MP
extremo de la Viga considerando las combinaciones de carga con el sismo amplificado utilizando el factor 1
1
1.25 R y V n = V sismo “Link”
≥ 2
(1.2 + 0.2 SDS) CP + CV + Ω1 QE (0.9 - 0.2 SDS) CP + Ω1 QE
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g) Resistencia Requerida en Columnas (15.8 AISC Seismic Provisions )
Si se cu mple esta relació n se deben aplicar los siguientes aspectos:
Pu: Carga Axial Ultima proveniente del Análisis sin considerar la carga sismica amplificada.
Pu 0.4 Pn
Pn: Resistencia Axial Nominal de la Columna.
g.1) La Resistencia Axial Requerida de Tracción y Compresion sin considerar los momentos, debe determinarse utilizando las combinaciones de carga con la aplicación del factor de Amplificación Sísmica del sistema.
Compresión: (1.2 + 0.2 SDS) CP + CV + Ωo QE
Ωo = 2
Tracción: (0.9 - 0.2 SDS) CP - Ωo QE
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g) Resistencia Requerida en Columnas (15.8 AISC Seismic Provisions ) g.2) Las Columnas deben resistir a Compresion y Tracción, las fuerzas generadas por la sumatoria de los cortes máximos probables en los eslabones por encima de su nivel, mas la carga gravitacional mayorada.
V MP
V MP M MP M MP
V
V MP
MP
M MP M MP
Para tal fin, la carga sísmica se define:
QE =
1.1 R V
y n
V MP
V MP
Luego, se aplican las Combinaciones
M MP M MP
Comp: (1.2 + 0.2 SDS) CP + CV + QE
Tracc: (0.9 - 0.2 SDS) CP - QE
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g) Zonas Protegidas (15.9 AISC Seismic Provisions )
Zonas protegidas
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