Universidad Nacional de IngenieríagFacultad de Ingeniería Civil

SECCION DE POSGRADO Y SEGUNDA EXPECIALIZACIONSEGUNDA ESPECIALIZACION EN DISEÑO SISMORRESISTENTE

DISEÑO SISMICO DE ESTRUCTURAS DE ACERODISEÑO SISMICO DE ESTRUCTURAS DE ACERO

TEMA: CONSIDERACIONES GENERALES PARA EL TEMA: CONSIDERACIONES GENERALES PARA EL DISEÑO SISMICO DE ESTRUCTURAS DE ACERODISEÑO SISMICO DE ESTRUCTURAS DE ACERO

ING SEBASTIAN JAIME ROMANI LOAYZAING. SEBASTIAN JAIME ROMANI LOAYZA

NORMAS DE REFERENCIA

AISC (2005a). “Seismic Provisions for Structural Steel Buildings,” American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois.

AISC (2005b). “ANSI/AISC 360-05. Specification for Structural Steel Buildings,” American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois.

NTE E.090 Norma Técnica de Edificación – ESTRUCTURAS METALICAS.

NTE E.030 Norma Técnica de Edificación – DISEÑO SISMORESISTENTE

INTRODUCCION

El año 2005 el Instituto Americano de la Construcción en Acero (AISC) publicó laúltima versión de sus disposiciones sísmicas. Estas disposiciones recogen toda lap p gexperiencia y conocimiento adquirido luego de los terremotos de Northridge en 1994y Kobe en 1995, los que pusieron en tela de juicio la filosofía de diseño que seaplicaba hasta ese entonces para producir estructuras sismorresistentes en aceroestructural. Además nuevas tecnologías y sistemas estructurales que surgierong y q gdespués de la aparición a la edición previa a este documento han sido incluidas.

En el Perú el código de diseño en acero NTE E.090 esta basado en las normas delAISC, sin embargo no existen disposiciones especificas para el tema sísmico, por lo, g p p p , pcual se tomará como documento base el AISC 2005a (Disposiciones Sísmicas para elDiseño Sísmico de Edificaciones).

Las disposiciones de AISC 2005a, complementan las disposiciones general delp p p gdiseño en acero AISC 2005b o la NTE E.090.

DUCTILIDAD Y FACTOR DE REDUCCION

La ductilidad tiene que ver con la capacidad de la estructura o elemento estructuralde soportar deformaciones inelásticas, es decir daño, sin pérdida significativa dep , , p gcapacidad. Si una estructura o elemento estructural es diseñado de modo que tengaductilidad, es posible reducir las fuerzas de diseño, resultando en economías entérminos de tamaño de los elementos estructurales

VbElástico(sin daño)

Vel

Dúctil(daño controlado)Vred = Vel/R

ΔΔdiseño = μΔyΔy

C d ll i i l d d f i d di ñComo se puede ver, para llegar a un mismo nivel de deformaciones de diseñoΔdiseño, la estructura sin daño requiere resistir fuerzas significativamentemayores que la estructura dúctil.

DUCTILIDAD Y FACTOR DE REDUCCION

Debido a la variabilidad de las solicitaciones sísmicas, es económicamente imposibleconstruir una estructura que se comporte elásticamente para el sismo más grande que sepueda esperar en una región. Por lo tanto, todas las estructuras en zonas sísmicas debenincorporar algún grado de ductilidad el cual se representa a través del factor de reducciónincorporar algún grado de ductilidad, el cual se representa a través del factor de reducciónde la respuesta R.

Mientras mayor el factor R, entonces, mayor ductilidad es requerida de la estructura, esdecir mayor capacidad de resistir daño sin colapsar y un factor R igual a 1 significa unadecir, mayor capacidad de resistir daño sin colapsar, y un factor R igual a 1 significa unaestructura elástica.

La definición de este factor y su aplicación a la determinación de las solicitacionessísmicas varía según las normas sísmicas de cada país Considerando la definición mássísmicas, varía según las normas sísmicas de cada país. Considerando la definición máscomún en Estados Unidos, las Disposiciones restringen su aplicabilidad a sistemasestructurales con un R mayor que 3, donde R está definido de acuerdo a lasrecomendaciones de la ASCE 7 (ASCE 2002). Para estructuras con R menor o igual a 3(sistemas no dúctiles) se permite utilizar la especificación general (AISC 2005b) Este(sistemas no dúctiles) se permite utilizar la especificación general (AISC 2005b). Estelímite entre estructuras dúctiles y no dúctiles va a ser diferente para otras normas y es, portanto, responsabilidad del ingeniero estructural el utilizar un valor límite de R adecuado alas normas de su país.

(F t d R d i d R i t i ú NTE E 030)(Factor de Reduccion de Resistencia según NTE E.030)

Solicitaciones y combinaciones de carga

De acuerdo a NTE E.090Cargas, Factores de Carga y Combinación de CargasLas siguientes cargas nominales deben ser consideradas:g gD : Carga muerta debida al peso propio de los elementos y los efectos permanentes sobre la estructura.L : Carga viva debida al mobiliario y ocupantes.Lr : Carga viva en las azoteas.W : Carga de viento.S : Carga de nieveS : Carga de nieve.E : Carga de sismo de acuerdo a la Norma E.030 Diseño Sismorresistente.R : Carga por lluvia o granizo.

La resistencia requerida de la estructura y sus elementos debe ser determinada para la adecuada combinación crítica de cargasf t i dfactorizadas.El efecto crítico puede ocurrir cuando una o más cargas no estén actuando. Para la aplicación del método LRFD, las siguientescombinaciones deben ser investigadas:1,4D (1. 4 - 1)1,2D +1,6L +0,5(Lr ó S ó R) (1.4 -2)1,2D + 1,6(Lr ó S ÓR) + (0,5L Ó 0,W) (1.4 -3)1,2D + 1,3W +0,5L + 0,5(Lr ó S ó R) (1.4 -4)1,2D ± 1,0E+0,5L + 0,2S (1.4 -5)0,9D ± (1,3W Ó 1,0E) (1.4 -6)

En las combinaciones 1.4-3, 1.4-4 y 1.4-5 el factor de cargas para L debe ser considerado como 1,0 en el caso de estacionamientos, auditorios y todo lugar donde la carga viva sea mayor a 500 kgf/m2.

Desplazamientos PermitidosD d l N E 030 l di t ió á i d t i d bid l i i l 0 01De acuerdo a la Norma E.030 la distorsión máxima de entrepiso debida al sismo es igual a 0.01.

M t i lMateriales

Para poder lograr una ductilidad significativa es necesario partir con un material que tenga estacaracterística En la figura se ilustra cualitativamente la diferencia entre aceros de altacaracterística. En la figura se ilustra cualitativamente la diferencia entre aceros de altaresistencia y aceros convencionales. Se ve que, si bien la capacidad del acero de altaresistencia puede superar la del acero convencional, esto va siempre acompañado de unareducción de su capacidad de deformación inelástica.

σAcero de alta resistencia

Acero estructural convencional

Por esta razón, las Disposiciones restringen la tensión de fluencia del acero a un máximo de 50

εFigura : Comportamiento de aceros

Por esta razón, las Disposiciones restringen la tensión de fluencia del acero a un máximo de 50ksi o 345 MPa en aquellos elementos estructurales que van a desarrollar comportamientoinelástico. Este límite es ligeramente mayor, para estructuras de ductilidad limitada, siendo55ksi o 380 MPa. Estas limitaciones no se aplican en el caso de que el único comportamientoinelástico sea el de fluencia en la base de columnas.inelástico sea el de fluencia en la base de columnas.

A36A53

A500 grado B y C

Tabla 1: Aceros permitidos para uso sísmico

g yA501A529

A572 grados 42, 50 y 55A588

A913 grado 50 60 y 65A913 grado 50, 60 y 65A992

A1011 HSLAS grado 55

“Tensión de fluencia esperada” y “Tensión última esperada”“Tensión de fluencia esperada” y “Tensión última esperada”Según ensayos realizados del material utilizados en las conexiones yelementos estructurales, se obtuvieron resultados sorprendentes;elementos estructurales, en especial vigas, que se habían supuestofabricados en acero A36 (tensión de fluencia F = 248 MPa) presentabanfabricados en acero A36 (tensión de fluencia Fy = 248 MPa), presentabanvalores del esfuerzo de fluencia Fy muy superiores.Esto, que en principio puede parecer beneficioso, causó que las zonas depanel quedaran con una resistencia inferior a la necesaria, generando unaconcentración de la deformación inelástica en estas zonas El tipo deconcentración de la deformación inelástica en estas zonas. El tipo dedeformación de la zona de panel causa una alta demanda de deformaciónen la unión entre el ala de la viga y el ala de la columna, como semuestra en la Figura 3, lo que propició la formación de grietas en esazona que luego se expandieron a través del ala de la columna o la vigazona, que luego se expandieron a través del ala de la columna o la viga.

“Tensión de fluencia esperada” y “Tensión última esperada”

Con el fin de evitar esto, las Disposiciones requieren la utilización de las resistencias esperadas, parael diseño de partes de la estructura que queden diseñadas por capacidad (AISC 2005b - 6.2).Estas resistencias esperadas se definen como

i d l i dTensión de Fluencia Esperada: Fye = Ry · FyTensión Ultima Esperada: Fue = Rt · Fu

Donde Fy y Fu son los valores nominales de la tensión de fluencia y tensión última del acero,i R R f d lifi ió ll l l d i drespectivamente, y Ry y Rt son factores de amplificación para llegar a los valores de tensiones de

fluencia y última esperados.

CONEXIONES, UNIONES Y SUJECIONES

Tomando en cuenta que las conexiones son los puntos más críticos de una estructura, ya que lafalla de una conexión redunda generalmente en el colapso de un elemento o el sistema estructural,las Disposiciones exigen que el estado límite que defina la capacidad de la conexión sea un estadolímite (modo de falla) dúctil, o bien que se asegure que la falla ocurrirá en el elemento estructural y

bi d ilque será también dúctil.

Uniones Empernadas.-Las Disposiciones exigen la utilización de pernos pretensados de acuerdo a los requisitos de

f i ió li i l ili ió d f i b di i d l dconectores en fricción, y limitan la utilización de perforaciones sobredimensionadas u ovaladas acasos particulares o aquellos casos en que se pueda demostrar a través de ensayos que suutilización es viable y no perjudica la ductilidad del sistema estructural

U i S ld dUniones Soldadas.-Las soldaduras deben cumplir con requisitos de resistencia a la fractura, lo que debe asegurarse através de la ejecución de éstas siguiendo procedimientos certificados de calidad y con electrodosadecuados, o bien su desempeño debe corroborarse experimentalmente. Las Disposiciones definend á ld d d “d d í i ” ll ld d f ll fademás soldaduras de “demanda crítica”, que son aquellas soldaduras cuya falla afecta

directamente la ductilidad del sistema estructural. Para este tipo de soldaduras, los requisitos sonaún más exigentes.

“N á i id di ñ i d d ld d i j“No está permitido diseñar uniones de modo que soldaduras y pernos resistan en conjunto unamisma fuerza, por ejemplo la tracción en un arriostramiento”.

En el caso de placas de continuidad y atiesadores, no se debe soldaréstos en todo el contorno y se debe recortar las esquinas (ver Figura 7),ya que esto crea estados triaxiales de tensiones en las esquinas quegeneran grietas que luego se propagan a la sección completa delelemento.

Atiesador

Corte en la esquina

Figura: Detalle de atiesadores

Elementos estructurales

Esbeltez de la sección. Uno de los requisitos fundamentales sobre los elementos estructurales para su utilizaciónen estructuras sismorresistentes es que sean capaces de soportar deformaciones inelásticasq p pmás allá del punto en que alcanzan su capacidad. En la figura se ilustra el comportamiento de una viga en flexión, para diferentes razones deesbeltez de su sección transversal. Para secciones esbeltas (λ > λr) la sección llega al estado límite de pandeo local antes de que se produzca fluencia en el elemento alcanza suestado límite de pandeo local antes de que se produzca fluencia en el elemento, alcanza sucapacidad y rápidamente pierde resistencia y ocurre la falla. Para secciones no compactas(λp > λ > λr), el pandeo local ocurre cuando parte del elemento ya se ha plastificado, ynuevamente la viga alcanza su capacidad y falla rápidamente. Finalmente, para secciones

(λ λ) l l f d l l i id dcompactas (λp > λ), el elemento no sufre pandeo local y mantiene su capacidad para un rango de deformación inelástica, antes de llegar a la falla.

M

Mp

λ < λ < λ

λps < λ < λp

λ < λps

λ > λr

Mrλp < λ < λr

θθy θu = 3θy θu = 8θy

Figura : Efecto de la esbeltez de la sección sobre el comportamiento de una viga

Considerando lo anterior es que las Disposiciones sólo permiten la utilización de seccionescompactas de vigas, columnas y arriostramientos para sistemas estructurales que resistanp g , y p qsolicitaciones sísmicas.

Los requisitos para clasificar una sección como compacta, sin embargo, varíandependiendo del nivel de ductilidad del sistema estructural utilizado.p

Para sistemas estructurales con un nivel de ductilidad significativo, se espera que los elementosestructurales sufran grandes incursiones en el rango inelástico y que esto ocurra varias vecesdurante un terremoto.

1

1.5

0

0.5

1

to -

M/M

p

-1

-0.5

Mom

ent

-1.5-0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04

Rotación - θbm (rad)Figura : Acumulación de rotación plástica en una viga

SECCIONES COMPACTAS Y SISMICAMENTE COMPACTASSECCIONES COMPACTAS Y SISMICAMENTE COMPACTAS Se puede apreciar en la figura anterior que cada ciclo de deformación inelásticainduce una deformación inferior a la deformación inelástica más grande queg qtiene que resistir el extremo de la viga. El límite de compacidad λp en la especificación general está definido considerando una capacidad dedeformación inelástica de 3 veces la deformación de fluencia, como se indica enl fi id d d d f i i l i fi i lla figura. Esta capacidad de deformación inelástica es suficiente para que los elementos estructurales puedan alcanzar su capacidad bajo accionesmonotónicas, pero no para el caso de sucesivas incursiones en el rangoinelástico como ocurre en un terremotoinelástico, como ocurre en un terremoto. Teniendo en cuenta este efecto, las Disposiciones definen una nueva categoría de secciones compactas, denominadas secciones “sísmicamente compactas”. Para que una sección sea sísmicamente compacta la esbeltez b/t de cada una de sus partes debe ser menor o igual al valor límite λps, el que es más restrictivo que λp. Un elemento estructural sísmicamente compacto será capaz de soportar deformaciones inelásticas ma ores a 6 ó 7 eces la deformación de fl enciadeformaciones inelásticas mayores a 6 ó 7 veces la deformación de fluencia.

Esbeltez del elementoSi observamos el efecto de la esbeltez global en vigas sometidas a flexión, podemos distinguircomportamientos similares a los debidos al pandeo local. La esbeltez de una viga está determinada por ladistancia entre arriostramientos laterales Lb como lo ilustra la Figura. Para distancias muy grandes entrearriostramientos (L > Lr), la viga sufre inestabilidad lateral-torsional o volcamiento antes de haber llegado ala fluencia en alguna sección, alcanza su capacidad y falla rápidamente. Para distancias intermedias entrearriostramientos (Lr > L > Lp), el volcamiento ocurre cuando parte del elemento ya ha alcanzado la fluencia,pero el comportamiento después de llegar a su capacidad es el mismo. Para vigas adecuadamentearriostradas (Lp > L), la viga alcanza su momento plástico y es capaz de mantenerlo hasta un cierto nivel dedeformación inelástica. Similarmente al caso de la esbeltez de la sección, las Disposiciones definen unadistancia máxima entre arriostramientos adicional, Lps, la que permite a las vigas soportar deformacionesinelásticas significativas.Para vigas en sistemas estructurales de baja ductilidad, las Disposiciones permiten la ocurrencia devolcamiento y, por tanto, no pone restricciones a la distancia entre arriostramientos que se puede utilizar.Para vigas en sistemas de ductilidad moderada a alta, en cambio, la distancia entre arriostramientos máximaestá limitada, de modo que el volcamiento no sea posible y las vigas tengan una capacidad de deformacióninelástica acorde con las demandas a las que estarán sometidas durante un terremoto severo.

MM

Mp

Lps < Lb < Lp

Lb < Lps

Lb > Lr

MrLp < Lb < Lr

θFigura : Efecto de la esbeltez global sobre el comportamiento de una viga

SISTEMAS DE RESISTENCIA

SISTEMA DE RESISTENCIA A CARGAS SISMICAS (SLRS=SEISMIC LOAD RESISTINGFRAME).- Arreglo de de elementos estructurales que en conjunto resisten las cargas símicas (columnas,vigas, arriostres, puntales, colectores, armaduras, diafragmas…).vigas, arriostres, puntales, colectores, armaduras, diafragmas…).

1.- Porticos Resistentes a Momentos (MRF)Sistema de Vigas y Columnas con conexiones resistentes a momentos.g yComportamiento a flexión y corte en Vigas y Columnas.

Se clasifican según su nivel de Desempeño sismorresistente.

a. Special Moment Frames (SMF). Pórticos Especiales a Momento.Sistemas capaces de desarrollar incursiones inelásticas Significativas, de manera estable.

b. Intermediate Moment Frames (IMF). Pórticos Intermedios a Momento.Sistemas capaces de desarrollar incursiones inelásticas Moderadas, de manera estable.

c Ordinary Moment Frames (OMF) Pórticos Ordinarios a Momentoc. Ordinary Moment Frames (OMF). Pórticos Ordinarios a Momento.Sistemas con una capacidad inelástica muy Limitada. Su desempeño esta basado en el

rango elástico.

Porticos Resistentes a Momentos

Fig. Special Moment Frame (SMF). Pórtico Especial a Momento (idealizacion).

2.- Porticos con Arriostramiento Concentrico (CBF)

Sistema estructural formado por columnas, vigas y arriostramientos concéntricos.

Se clasifican en.Se clasifican en.

a. Pórticos Especiales Arriostrados concentricamente (SCBF = SpecialConcentrically Braced Frame).- Este sistema generalmente configurado para que al di i ió d í d l i d l i idisipación de energía se de en los arriostres de tal manera que incursionen estos en fluencia durante la tracción y pandeo durante la compresión.

b. Pórticos Ordinarios Arriostrados concentricamente (OCBF = Ordinaryb. ó t cos O d a os ost ados co ce t ca e te (OC O d a yConcentrically Braced Frame)

Porticos con Arriostramiento Concentrico

3.- Porticos Arriostrados Excentricamente (EBF = Eccentrically Braced Frame)Braced Frame)

Sistema estructural formado por columnas, vigas y arriostres excéntricos.

Se espera que un portico tipo EBF desarrolle una cantidad significativa de deformación inelástica enla viga de acople al ser sometido a fuerzas que resultan al considerar el sismo de diseño. Losarriostramientos diagonales, columnas y segmentos de viga ubicados fuera de la zona de la viga deacople se diseñan para permanecer esencialmente en el rango elástico.acople se diseñan para permanecer esencialmente en el rango elástico.

Viga de acople

Sistema de Arriostramiento

Fig. Porticos Arriostrados excentricamente

4.- Muros de Corte Especiales de Placas de Acero (SPSW = Special Plate Shear Wall)Plate Shear Wall)

Sistema estructural formado elementos de borde de borde (columnas, vigas) y con una placa de acero interior.interior.

Se espera que una estructura tipo SPSW desarrolle una cantidad significativa de deformación inelástica en las almas al ser sometido a fuerzas que resultan al considerar el sismo de diseño. Los elementos de borde horizontales y verticales adyacentes al alma se diseñan para permanecerelementos de borde horizontales y verticales adyacentes al alma se diseñan para permanecer esencialmente en el rango elástico.

Elemento de borde h i l (HBE) Placas de acerohorizontal (HBE)

Elemento de borde vertical

Figura . Muro de corte de placas de acero

borde vertical (VBE)