Transcript 13_Diseno_Sismico

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 · SWi
Fi  V b
W i hi
n
 W jh 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
3. Conceptos generales
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.
3. Conceptos generales
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
Estructura
frágil
Corte Basal
el
dis
(1-1/R)Vbel
Vb

Vb
R
Estructura
dúctil
Vbdis
m 
(m-1)dy
dy
Desplazamiento
du
du
dy
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.
5. Detallamiento sísmico
RECOMENDACIONES
GENERALES
• 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.
5. Detallamiento sísmico
RECOMENDACIONES
GENERALES
• 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.
5. Detallamiento sísmico
RECOMENDACIONES
GENERALES
• Sistema estructural:
– Proveer redundancia.
– Evitar falla por inestabilidad (P-D).
– 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
M
*
pc
*
pb

M
pct
M
pcb
M
pbl
M
pbr
1
( AISC )
5. Detallamiento sísmico
MARCOS A MOMENTO
• Vigas:
– Usar secciones sísmicamente compactas
b t   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
L b  L ps  0 . 086 r y E F y ( AISC )
• Resistencia de arriostramiento lateral
Pu  0 . 06 M u h0
( AISC
- LRFD
)
h0
• Rigidez de arriostramiento lateral
 br
 10 M u


(  0 . 75 )  L b h 0
1




( AISC
- LRFD
)
MARCOS A MOMENTO
5. Detallamiento sísmico
• Columnas:
– Usar secciones sísmicamente compactas
b t   ps
– Proveer arriostramiento lateral adecuado
• Resistencia de arriostramiento lateral
br
u ala
P
 0 . 02 F y b f t f
( AISC
- LRFD
)
• Rigidez de arriostramiento lateral
 br
 8 Pu


(  0 . 75 )  L b
1




( AISC
- LRFD
)
5. Detallamiento sísmico
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
V con 
2M
M con  M
esperado
pb
Lh
esperado
pb
 V con
(L - b ) - Lh
2
5. Detallamiento sísmico
MARCOS ARRIOSTRADOS
CONCENTRICAMENTE
• Estructuración
No
Sí
MARCOS ARRIOSTRADOS
CONCENTRICAMENTE
5. Detallamiento sísmico
• Estructuración
K
No
V invertida
Sí, condicionalmente
V
5. Detallamiento sísmico
MARCOS ARRIOSTRADOS
CONCENTRICAMENTE
• Arriostramientos:
– Limitar esbeltez global
KL r  4 E F y
( AISC )
– Usar secciones sísmicamente compactas
b t   ps
5. Detallamiento sísmico
MARCOS ARRIOSTRADOS
CONCENTRICAMENTE
• Vigas:
– Diseñar para fuerza desbalanceada cuando
ocurre pandeo
5. Detallamiento sísmico
MARCOS ARRIOSTRADOS
CONCENTRICAMENTE
• 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
5. Detallamiento sísmico
MARCOS ARRIOSTRADOS
EXCENTRICAMENTE
• Deformación inelástica concentrada en los
“links”
• Vigas, columnas y arriostramientos
diseñados por capacidad
5. Detallamiento sísmico
MARCOS ARRIOSTRADOS
EXCENTRICAMENTE
• Links:
– Usar secciones sísmicamente compactas
b t   ps
– Capacidad dada por resistencia al corte,
considerando efecto de esfuerzo axial
– Longitud restringida (Llink < Lmax)
5. Detallamiento sísmico
MARCOS ARRIOSTRADOS
EXCENTRICAMENTE
• Links:
– Diseño basado en deformación
qmax
Ddiseño
q
0.08
(AISC)
0.02
1 .6
Fy Z
0 .6 F y Aw
2 .6
Fy Z
0 .6 F y Aw
Llink
5. Detallamiento sísmico
MARCOS ARRIOSTRADOS
EXCENTRICAMENTE
• Links:
– Atiesadores en extremos
Atiesadores
– Arriostramiento lateral en extremos
Pu  0 . 06 M u
esperado
h0
( AISC
- LRFD
)
5. Detallamiento sísmico
MARCOS ARRIOSTRADOS
EXCENTRICAMENTE
• Conexiones:
– Capacidad de soportar corte y momento en
extremos del “link”.
– Capacidad de absorber rotaciones de los
extremos del “link”
5. Detallamiento sísmico
MUROS DE CORTE
DE PLACAS DE ACERO
• Deformación inelástica concentrada en las
placas
• Vigas y columnas diseñadas por
capacidad
Placas
de acero
5. Detallamiento sísmico
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
5. Detallamiento sísmico
• Arriostramientos de pandeo restringido
t
b