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Diseño sismorresistente de estructuras de acero
Ricardo Herrera MardonesDepartamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile
Santiago, ChileMarzo de 2007
Introducción adaptada de material preparado por el Ing. Héctor Soto Rodríguez, Centro Regional de Desarrollo en Ingeniería Civil, Morelia, Mich. México.
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CONTENIDODiseño sismorresistente deestructuras de acero
• Introducción
• Métodos de análisis
• Criterios generales
• Sistemas estructurales
• Detallamiento sísmico
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SISMICIDAD1. Introducción
Actividad Sísmica Mundial
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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
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1. Introducción CARACTERISTICASDE SISMOS
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1. Introducción CARACTERISTICASDE SISMOS
Respuesta de diferentes elementos y contenido de una edificación frente a un sismo
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Estructura de acero típica resistente a momento
1. Introducción
Conexión típica viga-columna a momento pre-Northridge.
EFECTOSDE SISMOS
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Daños en conexiones
1. Introducción EFECTOSDE SISMOS
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1. Introducción
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
EFECTOSDE SISMOS
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1. Introducción
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
EFECTOSDE SISMOS
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1. Introducción EFECTOSDE SISMOS
Respuesta experimental de conexión viga-columna pre-Northridge
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Sistema estructural típico para edificios de acero en KobeColumnas en cajón HSS y vigas tipo I o H, ambas laminadas
EFECTOSDE SISMOS
1. Introducción
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Tipos de conexiones trabe-columna usuales en Japón.Conexiones tipo “árbol o de brazo”
EFECTOSDE SISMOS
1. Introducción
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Tipos de conexiones para columnas de aceroSistema placa-base
a) Conexión placa basesobre concreto reforzado
b) Placa base y tramo de columna embebidos en hormigón
EFECTOSDE SISMOS
1. Introducción
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EFECTOSDE SISMOS
1. Introducción
Daños sismo de Kobe, Japón 1995
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EFECTOSDE SISMOS
1. Introducción
Daños sismo de Kobe, Japón 1995
TRABE
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Pandeo en contraventeos en forma de XEdificio típico de acero
EFECTOSDE SISMOS
1. Introducción
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CLASIFICACION2. Métodos de análisis
• Análisis estático– Método de la fuerzas laterales equivalentes
• Análisis dinámico– Análisis modal (elástico)
• En el tiempo• Espectral
– Análisis dinámico inelástico
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ANALISIS ESTATICO2. Métodos de análisis
• Método de la fuerzas laterales equivalentes
Vb = Cs · ΣWi
Vb
∑=
= n
j
kjj
iibi
hW
hWVF
1
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ANALISIS DINAMICO2. Métodos de análisis
• Análisis modal espectral
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NIVELES DERIESGO SISMICO
3. Conceptos generales
• 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
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NIVELES DEDESEMPEÑO SISMICO
3. Conceptos generales
• 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.
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NIVELES DEDESEMPEÑO SISMICO
3. Conceptos generales
• 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.
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OBJETIVOS DE DISEÑO3. Criterios generales
Sismo frecuente
Sismo de diseño
Sismo máximo considerado
Operacional Ocupacióninmediata
Preservaciónde ocupantes
Prevenciónde colapso
IIIIII
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DUCTILIDADESTRUCTURAL
3. Criterios generalesC
orte
Bas
al
Vbel
δu
Desplazamiento
δy
Vbdis
(µ−1)δy
(1-1/R)Vbel
y
u
δδµ =
R
VV
elbdis
b =
Estructuradúctil
Estructurafrágil
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DUCTILIDADESTRUCTURAL
3. Criterios generales
Depende de
• Sistema estructural
• Materiales de construcción
• Nivel de detallamiento
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CLASIFICACION4. Sistemas estructurales
• Marcos resistentes a momento
• Marcos arriostrados concéntricamente
• Marcos arriostrados excéntricamente
• Muros de corte de placas de acero
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TIPOS4. Sistemas estructurales
• Marcos resistentes a momento
Columnas
Vigas
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TIPOS4. Sistemas estructurales
• Marcos arriostrados concéntricamente
Arriostramiento
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TIPOS4. Sistemas estructurales
• Marcos arriostrados excéntricamente
Arriostramiento
“Link”
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4. Sistemas estructurales
• Muros de corte de placas de acero
Placasde acero
TIPOS
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RECOMENDACIONESGENERALES
5. Detallamiento sísmico
• Material base:– Usar aceros con ductilidad y resiliencia
significativa.
– Usar aceros con buena resistencia a fractura.
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RECOMENDACIONESGENERALES
5. Detallamiento sísmico
• 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.
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RECOMENDACIONESGENERALES
5. Detallamiento sísmico
• 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.
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5. Detallamiento sísmico
• Sistema estructural:– Proveer redundancia.
– Evitar falla por inestabilidad (P-∆).
– Seguir recomendaciones para buena estructuración
RECOMENDACIONESGENERALES
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5. Detallamiento sísmico
• Mecanismo de falla
MARCOS A MOMENTO
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5. Detallamiento sísmico
• Columna fuerte-viga débil
MARCOS A MOMENTO
( )AISCMM
MM
M
M
pbrpbl
pcbpct
pb
pc 1*
*
>++
=∑∑
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5. Detallamiento sísmico
• Vigas:– Usar secciones sísmicamente compactas
– Evitar cambios bruscos de sección
– Proteger zonas de rotulación plástica• No conectores de corte
• No elementos soldados• No perforaciones
MARCOS A MOMENTO
pstb λ≤
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5. Detallamiento sísmico
• Vigas:– Proveer arriostramiento lateral adecuado
• Longitud de arriostramiento máxima sísmica
• Resistencia de arriostramiento lateral
• Rigidez de arriostramiento lateral
MARCOS A MOMENTO
( )AISCFErLL yypsb 086.0=≤
( )LRFDAISChMP uu −= 006.0 h0
( ) ( )LRFDAISChL
M
b
ubr −
=
=0
10
75.0
1
φβ
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5. Detallamiento sísmico
• Columnas:– Usar secciones sísmicamente compactas
– Proveer arriostramiento lateral adecuado• Resistencia de arriostramiento lateral
• Rigidez de arriostramiento lateral
MARCOS A MOMENTO
pstb λ≤
( )LRFDAISCtbFP ffybralau −= 02.0
( ) ( )LRFDAISCL
P
b
ubr −
=
= 8
75.0
1
φβ
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5. Detallamiento sísmico
• Columnas:– Diseñar bases de columna por capacidad– Empalmes con capacidad ≥ columnas que
unen– Zonas de panel adecuadamente reforzadas
MARCOS A MOMENTO
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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
MARCOS A MOMENTO
( )2
2
hcon
esperadopbcon
h
esperadopb
con
LbLVMM
L
MV
−−+=
=
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5. Detallamiento sísmico
• Estructuración
MARCOS ARRIOSTRADOSCONCENTRICAMENTE
No Sí
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5. Detallamiento sísmico
• Estructuración
MARCOS ARRIOSTRADOSCONCENTRICAMENTE
No Sí, condicionalmente
K V invertida V
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5. Detallamiento sísmico
• Arriostramientos:– Limitar esbeltez global
– Usar secciones sísmicamente compactas
MARCOS ARRIOSTRADOSCONCENTRICAMENTE
( )AISCFErKL y4≤
pstb λ≤
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5. Detallamiento sísmico
• Vigas:– Diseñar para fuerza desbalanceada cuando
ocurre pandeo
MARCOS ARRIOSTRADOSCONCENTRICAMENTE
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5. Detallamiento sísmico
• 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 ARRIOSTRADOSCONCENTRICAMENTE
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5. Detallamiento sísmico
• Deformación inelástica concentrada en los “links”
• Vigas, columnas y arriostramientos diseñados por capacidad
MARCOS ARRIOSTRADOSEXCENTRICAMENTE
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5. Detallamiento sísmico
• Links:– Usar secciones sísmicamente compactas
– Capacidad dada por resistencia al corte, considerando efecto de esfuerzo axial
– Longitud restringida (Llink < Lmax)
MARCOS ARRIOSTRADOSEXCENTRICAMENTE
pstb λ≤
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5. Detallamiento sísmico
• Links:– Diseño basado en deformación
MARCOS ARRIOSTRADOSEXCENTRICAMENTE
∆diseño θ
Llink
θmax
0.08
0.02
wy
y
AF
ZF
6.06.1
wy
y
AF
ZF
6.06.2
(AISC)
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5. Detallamiento sísmico
• Links:– Atiesadores en extremos
– Arriostramiento lateral en extremos
MARCOS ARRIOSTRADOSEXCENTRICAMENTE
Atiesadores
( )LRFDAISChMP esperadouu −= 006.0
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5. Detallamiento sísmico
• Conexiones:– Capacidad de soportar corte y momento en
extremos del “link”.
– Capacidad de absorber rotaciones de los extremos del “link”
MARCOS ARRIOSTRADOSEXCENTRICAMENTE
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5. Detallamiento sísmico
• Deformación inelástica concentrada en las placas
• Vigas y columnas diseñadas por capacidad
MUROS DE CORTEDE PLACAS DE ACERO
Placasde acero
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5. Detallamiento sísmico
• Placas:– Capacidad controlada por fluencia en corte– Razón altura/largo limitada
• Vigas, columnas, conexiones viga-columna:– Cumplir con requisitos de marcos a momento
• Conexiones placa-columna/viga– Controladas por fluencia en tracción inclinada
MUROS DE CORTEDE PLACAS DE ACERO
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5. Detallamiento sísmico
• Viga de sección reducida
ESTRATEGIASAVANZADAS
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5. Detallamiento sísmico
• Arriostramientos de pandeo restringido
ESTRATEGIASAVANZADAS
t b