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Diseño Sísmico de Estructuras de Acero 4PAE
21/06/2010
Luis Garza Vasquez I.C., M.I. 1
4. Porticos arriostradost i t
DISEÑODISEÑOSISMICO DE SISMICO DE
ESTRUCTURAS ESTRUCTURAS DE ACERODE ACERO
exentricamentePAE
Relación rigidezRelación rigidez--vinculovinculo
e
e=0
Rigidez
0 e L
L
Vinculo
e
e
Vinculo
Vinculo
e
e
Vinculo
Vinculo
Configuraciones de PAEe e e e
ee
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Comportamiento inelástico de PAE
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PRM PAC
Mecanismos de Disipacion de Energia
PAE
γp
Angulo de rotacion plástica del Vinculo
γpγp
Angulo de rotacion plástica del Vinculo
M
Elementos Mecánicos en Vínculos
e e
V
P
e
V V
M M
El vínculo puede fallar por flexion o cortante o ambos
V
M
M
Depende de la longitud del vínculo "e"
e
V V
M M
La fluencia a cortante ocurre cuando:
V
M
M
Esfuerzo de fluencia a cortante
Area del alma del vínculo
Vp = Capacidad plástica total
V = Vp = 0.6 Fy (d - 2tf ) tw
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e
V V
M M
La fluencia a flexion ocurre cuando:
V
M
M
M = Mp = Z Fy
Mp = Momento plástico total
e
V V
M M
Equilibrio estático del vínculo: Ve = 2M
e2MV
=
e
Vp Vp
Mp Mp
La fluencia a cortante y flexion ocurren simultáneamente si:V=Vp and M=Mp
p
p
VM2
e =
La fluencia a cortante
e
Vp Vp
M M
Fluencia a cortante del alma en toda la longitud del vínculo.
¡Muy uniforme!
La fluencia a cortanteocurrira cuandoV=Vp and M < Mp
e2MV
p
p≤
V =Vp
M < Mp
La fluencia a flexion ocurre
e
V V
Mp Mp
V V
Fluencia a flexion en los extremos. No es uniforme.
La fluencia a flexion ocurrecuandoM = Mp and V < Vp
V <Vp
M = Mp
e2MV
p
p≥
M = Mp
Fluencia a cortante y estructural de vínculos:
e2MV
p
p≤
Si no hubiera endurecimiento por deformacion niinteraccion entre el cortante y la flexion
Vinculo con fluencia a cortante:p
Vinculo con fluencia a flexion: e2MV
p
p≥
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Vn = el menor de
Vp
2Mp / e
para
para
e2MV
p
p≤
p
V2M
e ≥
Resistencia Nominal a Cortante, Vn:
2Mp / e parapV
Ejemplo: W14x82 A992Resistencia nominal a cortante:
200
250
r St
reng
th
0 1 2 3 4 5
e / (Mp/Vp)
Vn=Vp
0
50
100
150
0 36 72 108 144 180
Link Length e (inches)
Link
Nom
inal
She
ar(k
ips) Vn=2Mp /e
0
50
100
150
Forc
e (k
ips)
Endurecimiento por deformacion
VnVult
-150
-100
-50
0
-0.15 -0.10 -0.05 0.00 0.05 0.10 0.15
Link Rotation, γ (rad)
Link
She
ar F
Experimentalmente Vult ≈ 1.25 to 1.5 Vn
e1.6 M
Vp
p≤Vínculo con fluencia a cortante:
Por endurecimiento se recomienda tomar:
p
Vínculo con fluencia a flexion: e2.6 M
Vp
p≥
Fluencia a cortante y flexion combinadas:1.6 M
Ve
2.6 MV
p
p
p
p≤ ≤
Vinculos con fluencia a cortante
p
p
VM1.6
e ≤
Mejor comportamiento estructural por:• resistencia• rigidez• ductilidad
V
Δ
γ
Comportamiento experimental de vínculos a cortante
e
γ = Δe
Rotacion del vínculo: (radianes)
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W10x33 (A992) e = 1.1 Mp/Vp γ = 0.10 radianes
Falla por rotura del alma
0
50
100
150
Forc
e (k
ips)
-150
-100
-50
-0.15 -0.10 -0.05 0.00 0.05 0.10 0.15
Link Rotation, γ (rad)
Link
She
ar
0
50
100
150
Forc
e (k
ips)
γp = ± 0.10 rad
-150
-100
-50
-0.15 -0.10 -0.05 0.00 0.05 0.10 0.15
Link Plastic Rotation, γp (rad)
Link
She
ar
Vinculos largos
p
p
VM1.6
e >
Menor resistencia, rigidez y ductilidad
Utilizar sólo si hay restricciones arquitectónicas
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W12x16 (A36) e = 3.4 Mp/Vp
W16x36 (A992) e = 2 Mp/Vp (Fluencia a cortante y flexion combinadas)
0
50
100
150
200
ar F
orce
(kip
s)
-200
-150
-100
-50
-0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15
Link Rotation, γ (rad)
Link
She
a
0.08
0.12
γ p(ra
d)
Capacidad de rotacion plástica del vínculo obtenidas experimentalmente
0
0.04
0 1 2 3 4 5Longitud de vínculo: e/ (Mp/ Vp)
Fluencia a cortante Fluencia a flexionCortante +
Flexion
eRelación entre ángulo de giro del vínculo y derivas
L
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e
γp
pp eL
θγ =
L
θp
e
L
e
γp
pp eL
θγ =
L
θp
e e
L
e e
θ
γp
γp
L
θp
pp e2L
θγ =
DiseñoDiseño de PAEde PAE
Procedimiento
1. Dimensionar vínculos para cargasmayoradas.
2. Dimensionar todos los otros miembrosy conexiones para resistir toda la capacidad de los vínculos.
3 E ti l d d d d tilid d l 3. Estimar la demanda de ductilidad en el vínculo; revisar que el vínculo puedasuministrar dicha ductilidad.
4. Realizar los detalles que garanticenuna buena ductilidad (atiesadores y arriostramiento lateral)
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Limitaciones
Relaciones ancho-espesor para aletas y alma del vínculo:
M
b/t ≤p
pp V
Mepara 6.1≤λ
p
pps V
Mepara 6.1>λ
Resistencia a cortante del vínculo
Resistencia cortante del vínculo= φ Vn
φ = 0.9 Vn = menor deVp
2Mp / e
Vu ≤ φ Vn
Vu = fuerza cortante en el vínculo para cargas elásticas mayoradas:
1.2D + 1.0E + 0.5L 0.9D + 1.0E
Preferir H’s por las grandes fuerzas axiales.
Escoger perfil tal que:
Vn = menor deVpa
2Mpa / e
Si Pu > 0.15 Py en el vínculo hay riesgo de bajaresistencia y ductilidad :
pa / e
2
y
uppa P
P1VV ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−=
donde:
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡−=
y
uppa P
P1MM
Py = A Fy
Además, si Pu > 0.15 Py en el vínculo, estos deben ser muy cortos.:
e ≤
3.06.15.015.1 ≥⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛′
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛′−
g
w
p
p
g
w
AApara
VM
AA ρρ
⎞⎛3.06.1 <⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛′
g
w
p
p
AApara
VM
ρ
donde:
u
u
VP
=′ρ ( ) wfw tt2dA −=
Angulo de rotacion del vínculo
Para la deriva de diseño, Δ.
No debe ser mayor de:y
a) 0.08 radianes para:e ≤ 1.6 Mp / Vp
b) 0.02 radianes para:e ≥ 2.6 Mp / Vp
c) Interpolar para: 1.6 Mp / Vp < e < 2.6 Mp / Vp
Procedimiento de diseño para revisar el angulo de rotacion del vínvulo, γp
1. Calcular la deriva elástica con las cargas de la norma: ΔE: Δp ≈ ΔE
2. Calcular la deriva de piso θpp p
θp ≈ Δp / h donde h = altura de piso
3. Calcular el angulo de rotacion del vínculo γpγp = (L / e) θp
4. Revisar el ángulo límite.
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Lθγ =
e
Lθp
γp
L
e
θp
γp
Lθγ =pp e
θγ = pp eθγ =
e e
L
θp
γp
γp
pp e2L
θγ =
5
10
15
γp /
θp e
γp
0
5
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1e/L
Lθp
Los vínculos muy cortos requieren mucha ductilidad. Poner e =1.6 Mp/Vp
0 04
0.06
0.08
0.1
Perm
issi
ble
γp
0
0.02
0.04
0 1 2 3 4 5
Non-dimensional Link Length: e / (M p /V p )
Max
imum
1.6 2.6
Shear Yielding Flexural YieldingShear + Flexure
Atiesadores en el vínculo
Deben colocarse en ambos lados del alma, en los extremos de la diagonal.
Deben tener un ancho combinado no menor de:
(bf -2tw) y un espesor no menor de 0.75 tw o 9.5mm, el que sea mayor.
e
Atiesadores de profundidad total
e ≤ 1.6 Mp / Vp
(Vinculos a cortante) s s s s s
eAtiesadores intermedios
s ≤
30 tw - d /5 para γp = 0.08 radianes
52 tw - d /5 para γp = 0.02 radianes
Interpolar para 0.02 < γp < 0.08 radianes
tw = espesor del alma d = altura de vínculo
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e
1.5 bf 1.5 bf
2.6 Mp / Vp < e < 5 Mp / Vp
(Vínculos a flexion)
bf = ancho de aleta del vínculo
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e
1.5 bf 1.5 bf
1.6 Mp / Vp < e < 2.6 Mp / Vp
(Vínculo a cortante y flexion)
s s s s
s ≤
30 tw - d /5 para γp = 0.08 radianes
52 tw - d /5 para γp = 0.02 radianes
Interpolar para0.02 < γp < 0.08 radianes
Conexiones Vínculo-Columnae
La conexion vínculo columna
Debe ser capaz de soportar:
γp ≥ ± 0.08 rad. para e ≤ 1.6 Mp / Vp
γp ≥ ± 0.02 rad. para e ≥ 2.6 Mp / Vpeinterpolar para1.6 Mp / Vp < e < 2.6 Mp / Vp
γp p p p
¡Hacer ensayos, que no hay!
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La conexion vínculo-columna no requiere ensayos si:
• La conexion está reforzada
• Longitud del vínculo e ≤ 1 6 M / V• Longitud del vínculo e ≤ 1.6 Mp / Vp
• Se colocan atiesadores en el vínculo
e
Conexion viga-columna reforzada
Arriostramiento lateral del vínculo
Poner Arriostramiento lateral en ambas aletas en los extremos del vínculo.
L i t i id d d i t d bLa resistencia requerida de cada riostra debe ser:
[ ]o
vínculoyyb h
ZFRP 06.0=
ho = distancia entre centroides de aletas
e
Arriostramiento lateral en ambasaletas
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Riostra diagonal y viga por fuera del vínculo
La resistencia requerida de la riostra diagonal y la vigafuera del vínculo se calcula con las máximas fuerzasque pueden ser generadas por la fluencia y el endurecimiento por deformacion del vínculo.
Viga por fuera del vínculo
Riostra diagonal
MultMult
Vult Vult
Vult
Mult
Vult
Mult
MultMult
Vult Vult
Determinacion del cortante y momento último en los extremos del vínculo:
e
Para diseño de la riostra: V = 1 25 R VPara diseño de la riostra: Vult = 1.25 Ry Vn
Para el diseño de la viga por fuera del vínculo: Vult = 1.1 Ry Vn
Vn = Resistencia nominal del vínculo= menor de Vp o 2 Mp / e
2VeM ult
ult =
M
V
P
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Conexiones de la Riostra
La resistencia requerida de las conexiones de la riostra, en ambos extremos de la riostra deberá ser como mínimo iguala la resistencia requerida de la riostra.
La resistencia requerida a compresion de la conexion debeser como mínimo 1.1 Ry Pn de la riostra,
donde: Pn = resistencia nominal a compresion de la riostra.
Vult
Mult
Conexiones de RiostraConexiones de Riostra• Diseñar para las fuerzas (P y M)
generadas en la riostra Vult y Multdel vínculo.
• Revisar la compresion axial 1.1 Ry Pn de la riostra.
• No requiere línea de rotacion
Detalles típicos
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Conexiones viga-columna lejos del vínculo
Articuladas: R=7Resistentes a momento(DMI): R=8
Vult
Mult
Vult
Mult
Vult
Mult
Vult
Mult
Resistencia requerida de las columnas:
Vult = 1.1 Ry Vn para cada vínculo.
Vult
Mult
Vult
Mult
Zonas protegidas
Zonas protegidas
PantallasPantallasdede AceroAcerode de AceroAcero
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MecanismoMecanismo dúctildúctilDesarrollo de diagonales Flexion del portico
Pandeo por cortante
ENSAYOSENSAYOS
Astaneh-Asland Zhao
Takanaka
SISTEMAS ESTRUCTURALESSISTEMAS ESTRUCTURALES
• COMBINADO-Verticales;Porticos resistentes o no a momento- Horizontales;Muros estructurales ó porticos con diagonales.
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SISTEMAS ESTRUCTURALESSISTEMAS ESTRUCTURALES
• DUAL-Verticales: Porticos resistentes a Momento sin diagonales, Mínimo 0.25VB.-Horizontales:Muros ó diagonales.Mínimo 0.75VB.-Resistencia escalonada
SISTEMAS MIXTOSSISTEMAS MIXTOSAcero Estructural Compuesto yAcero Estructural Compuesto y
Concreto Reforzado.Concreto Reforzado.
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CONEXIONESCONEXIONES
• Compatibilidad
• Constructibilidad
• Resistencia a sismos
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REHABILITACION DE EDIFICIOSREHABILITACION DE EDIFICIOS
DE CONCRETO CON ESTRUCTURASDE CONCRETO CON ESTRUCTURAS
METALICASMETALICAS
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MACRO PORTICOS
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ARRIOSTRAMIENTOSCONCENTRICOS
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¡ No es MDA, es detalle CHIC !
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E.D.E.Q.E.D.E.Q.ANTES• Deriva 3%• Confinamiento reducido• Torsión edificio de esquinaTorsión edificio de esquina• Sin vigas de amarre• Concreto 5000 psi
E.D.E.Q.E.D.E.Q.DESPUES• Deriva 0.5%• Confinamiento y sistema compuesto a
compresióncompresión• Cimentación sin reparar• Periodo 0.81 seg.• Aumenta Sa
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Foto jesus maria oFoto jesus maria o
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CONEXIONES CONEXIONES A A
CONCRETOCONCRETO
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ARRIOSTRAMIENTOSARRIOSTRAMIENTOS
CON CONEXIÓN CON CONEXIÓN
INDIRECTAINDIRECTA
BANCOLOMBIA ARMENIABANCOLOMBIA ARMENIAANTES• Deriva longitudinal 2.3%• Deriva transversal 5%
DESPUES• Deriva longitudinal 1.3%• Deriva transversal 0.9%
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ESTADIO ATANASIO ESTADIO ATANASIO GIRARDOTGIRARDOT
ANTES• Deriva 5%Deriva 5%
DESPUES• Deriva 0.5%
REFORZAMIENTO COLUMNASREFORZAMIENTO COLUMNAS
CONFINAMIENTO
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REHABILITACION REHABILITACION Y Y
AMPLIACIONAMPLIACION
CLINICA DEL PARQUECLINICA DEL PARQUE
ANTES• Deriva máxima 1.06% > 0.5%
DESPUES• Deriva máxima 0.35%• Deriva umbral de daño 0.12%< 0.15%
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CLINICA DEL PARQUECLINICA DEL PARQUE
REFORZAMIENTO• Costo: $230’• Área útil: 450m2
AMPLIACION Y REFORZAMIENTO• Costo: $290’• Área útil: 970m2
CIMENTACIONESCIMENTACIONES
• Evitar recimentación
• Incremento capacidad admisible 33%p
• Cuidado con las tensiones!
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VALORES RECOMENDADOS VALORES RECOMENDADOS
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