clase 4 - 2 usac

ESTRUCTURAS DUCTILES DE ACERO.

Dr. Jorge H. Salaverría Reyes

Escola Tècnica Superior d‘Enginyers de Camins Canals i Ports de Barcelona

Estructuras Dúctiles de acero– El acero como material estructural

En el diseño y verificación de componentes estructurales de acero, uno de los parámetros mecánicos más importantes es la tensión mínima de fluencia, Fy, Adicionalmente, en algunos estados límite vinculados con la fractura se aplica la resistencia de tracción mínima, Fu. Ambos parámetros son propiedades nominales del acero especificado. Los aceros convencionales presentan resistencias menores y mayor ductilidad, mientras que los aceros de alta resistencia en general presentan una ductilidad reducida

Estructuras Dúctiles de acero– El acero como material estructural

Esta es la razón por la cual las especificaciones sísmicas ANSI/AISC 341-10limitan la tensión mínima de fluencia a 345 MPa en componentes donde seespera que se desarrolle comportamiento inelástico. Para el caso de estructurascon ductilidad limitada este límite se incrementa a 380 MPa (sistemasordinarios”.

Estructuras Dúctiles de acero1a. Designaciones ASTM Productos de acero en conformidad con alguna de las siguientes

especificaciones ASTM son aceptables para ser usados con esta especificacion. (1) Perfiles Estructurales Laminados en Caliente

– ASTM A36/A36M– ASTM A529/A529M– ASTM A572/A572M– ASTM A588/A588M– ASTM A709/A709M– ASTM A913/A913M– ASTM A992/A992M– ASTM A1043/A1043M

(2) Tubos Estructurales– ASTM A500– ASTM A501– ASTM A618/A618M– ASTM A847/A847M

Estructuras Dúctiles de acero (3) Cañerías

– ASTM A53/A53M, Gr. B (4) Planchas

– ASTM A36/A36M– ASTM A242/A242M– ASTM A283/A283M– ASTM A514/A514M– ASTM A529/A529M– ASTM A572/A572M– ASTM A588/A588M– ASTM A709/A709M– ASTM A852/A852M– ASTM A1011/A1011M– ASTM A1043/A1043M

(5) BarrasASTM A36/A36MASTM A529/A529MASTM A572/A572MASTM A709/A709M

(6) LaminasASTM A606/A606MASTM A1011/A1011M SS, HSLAS, AND HSLAS-F

Estructuras Dúctiles de acero Pernos, golillas y tuercas El material de pernos, golillas y tuercas sujeto a las siguientes

especificaciones ASTM es aceptable de ser usados de acuerdo con esta especificación.

(1) Pernos– ASTM A307– ASTM A325– ASTM A325M– ASTM A354– ASTM A449– ASTM A490– ASTM A490M– ASTM F1852– ASTM F2280

(2) Tuercas– ASTM A194/A194M– ASTM A563– ASTM A563M

(3) GolillasASTM F436ASTM F436MASTM F844

(4) Golillas Compresibles de Indicacion de Tension Directa

ASTM F959ASTM F959M

Aspectos generales del comportamiento estructural

DISENO PARA ESTADOS LIMITES DE SERVICIOEste capitulo entrega los requisitos de diseño para condiciones de servicio.El capitulo se organiza como sigue:L1. Disposiciones GeneralesL2. ContraflechaL3. DeformacionesL4. Desplazamientos Laterales RelativosL5. VibracionL6. Movimiento Inducido por VientoL7. Expansion y ContraccionL8. Deslizamiento de Conexiones


DISPOSICIONES GENERALESEl Estado Límite de Servicio es un estado en el cual elfuncionamiento de una edificación, su apariencia,mantenimiento, durabilidad, y comodidad de sus ocupantes semantienen controlados para una condición de uso normal. Losvalores limites de comportamiento estructural paracondiciones de servicio (por ejemplo, deformaciones máximas,aceleraciones) deben ser elegidas con la debida atención a lafunción que se espera que la estructurasatisfaga. La condición de servicio debe ser evaluadautilizando combinaciones de carga apropiadas para losestados límites de servicio establecidos.


CONTRAFLECHADonde se utilice contraflechas para lograr una posición ycolocación apropiada de la estructura, la magnitud, direccióny colocación de la contraflecha debe ser especificada en losplanos estructurales..


DEFORMACIONESLas deformaciones en miembros y sistemas estructurales bajocombinaciones de cargas de servicio apropiadas no debenafectar la condición de servicio de la estructura.DESPLAZAMIENTOS LATERALES RELATIVOSEl desplazamiento lateral relativo o deriva de una estructuradebe ser evaluado bajo cargas de servicio para satisfacer lacondición de servicio a la estructura, incluyendo la integridadde los tabiques interiores y los recubrimientos exteriores. Laderiva bajo combinaciones de carga para la condición deresistencia no debe causar choque con estructuras adyacentes oexceder los valores limites de dichos desplazamientos quepudieran estar especificados en el código de edificaciónvigente.


VIBRACIÓNSe debe considerar el efecto de vibración en la comodidad delos ocupantes y el funcionamiento de la estructura. Las fuentesde vibración que deben ser consideradas incluyen cargaspeatonales, vibración de maquinarias y otras fuentesidentificadas para la estructura.

MOVIMIENTO INDUCIDO POR VIENTODebe considerarse el efecto del movimiento inducido porviento en la comodidad de los ocupantes.


DILATACION Y CONTRACCIÓNDeben ser considerados los efectos de la expansión térmica ycontracción por cambios de temperatura en las edificaciones.Los danos en el recubrimiento de la edificación puedenocasionar penetración de agua y consecuentemente corrosión.

DESLIZAMIENTO EN LAS CONEXIONESCuando el deslizamiento en conexiones apernadas puedacausar deformaciones que afecten la condición de servicio dela estructura, los efectos del deslizamiento en las conexionesdeben ser incluidos en el diseño. Cuando sea apropiado, laconexión debe ser diseñada para evitar el deslizamiento.

Clasificación de las secciones de acero

Clases de secciones:

De acuerdo con su comportamiento frente a tensionesnormales, las secciones de una pieza prismática de acero queforma parte de una estructura, pueden clasificarse como:

1. Plásticas.2. Compactas.3. Semi-compactas.4. Esbeltas.


Clasificación de seccionesEl pandeo local es un fenómeno complejo, propio de las secciones deacero (perfiles laminados y secciones armadas), las cuales estánformadas por placas delgadas en relación a las dimensiones de lasección, para lograr un uso óptimo del material. El tratamientomatemático de este tipo de pandeo es complejo, particularmente enrango inelástico, razón por la cual las especificaciones de diseñousualmente consideran una verificación indirecta y simplificada deeste fenómeno. En el caso de la reglamentación AISC, un aspectofundamental para la evaluación y control del problema de pandeolocal es la clasificación de secciones de acero en dos o tres grupos apartir de la relación anchura espesor, b/t o h/tw, de los elementoscomponentes de la sección (algunos autores denominan comoesbeltez local a esta relación, por analogía con el fenómeno depandeo global).


Clasificación de seccionesEn el caso de miembros flexionados, las secciones se clasifican en tres grupos, según las siguientes condiciones:

Secciones compactas: las alas están vinculadas en forma continua conel alma o las almas y todos los elementos comprimidos cumplen que larelación anchura-espesor no excede el valor λp Secciones no compactas: todos los elementos comprimidos cumplenque la relación anchura-espesor no excede el valor λrSecciones esbeltas: al menos un elemento comprimidos cumple que larelación anchura-espesor es mayor que λr

En el caso de miembros comprimidos, las secciones se clasifican en dosgrupos, según las siguientes condiciones:Secciones no compactas: todos los elementos componentescumplen que la relación anchura-espesor es menor o igual que el valor λr


En el caso de miembros comprimidos, las secciones se clasifican en dosgrupos, según las siguientes condiciones:Secciones no compactas: todos los elementos componentescumplen que la relación anchura-espesor es menor o igual que el valor λrSecciones esbeltas: al menos un elemento cumple que la relación anchura-espesor es mayor que λrdonde λp y λr son esbelteces límites cuyo valor se determina a partir de la Tabla B4.1a del reglamento ANSI/AISC 360-10, según el tipo de elementos, el estado de solicitación y de otras características de la sección.En la mencionada tabla se consideran elementos no rigidizados, que son aquellos que tienen un solo borde vinculado en la dirección paralela a la fuerza de compresión, y elementos rigidizados, que presentan sus dosbordes vinculados.


A modo de ejemplo, si seconsidera un perfil laminado I,sometido a flexión los valoreslímites Son:


Ejemplo:


Clasificación de seccionesEn función de la sensibilidad de una sección a los fenómenos de inestabilidadde chapas, se definen cuatro clases de secciones de acero, a saber:Secciones de Clase 1 (plásticas): son aquellas capaces de alcanzar su momento plástico sin presentar problemas de inestabilidad y, además, tienen suficiente capacidad de rotacióncomo para desarrollar una rotula plástica tal y como ´esta se entiende en un análisis plástico.Secciones de Clase 2 (compactas): son aquellas que siendo capaces de alcanzarsu momento plástico sin presentar problemas de inestabilidad, no tienencapacidad de rotación suficiente para formar rotulas plásticas. Estas seccionespueden aprovechar al máximo el material pero no permiten considerar para laestructura mecanismos de rotura de tipo plástico. En consecuencia su empleo enestructuras isostáticas permitirá el mismo aprovechamiento global del materialque en el caso de emplear secciones plásticas. Por el contrario cuando laestructura sea hiperestática la limitación en cuanto a la formación de rótulasplásticas impedirá aprovechar el material hasta el límite que permitiría elempleo de secciones plásticas.


Clasificación de seccionesSecciones de Clase 3 (semi-compactas): estas secciones presentan problemas de abolladura local antes de alcanzar el momento plástico y una vez rebasado el momento elástico El momento resistente de la sección se considerará igual a su momento elástico.Secciones de Clase 4 (esbeltas): la esbeltez de los paneles que forman estas secciones impiden que se alcance incluso el momento elástico antes de que se presenten fenómenos de inestabilidad.


Criterio para la clasificación de seccionesLa asignación de clase a una sección transversal de acero depende de:

1. El límite elástico del material.

2. La geometría de la sección y, en particular, la esbeltez de sus paneles comprimidos total o parcialmente.

3. Las posibles vinculaciones laterales de las zonas comprimidas.

4. La geometría y extensión de las zonas de panel comprimidas, lo que, a su vez, depende de la geometría de la sección y del conjunto de esfuerzos que producen tensiones normales (axil y momentos) a los que está sometida.


Relaciones para la determinación del tipo de estudio a realizar


Componentes generales de la sección

Efectos de 2do ordenEfectos de segundo orden

Los efectos de segundo orden son aquellos inducidos porlas cargas actuando en la configuración deformada de laestructura, es decir que se trata de un problema de nolinealidad geométrica. En el caso particular de cargasgravitatorias, P, a medida que la estructura se deforma porla acción del sismo, las cargas gravitatorias inducen unmomento adicional que es proporcional aldesplazamiento lateral δ. A este caso particular de efectode segundo orden se lo denomina efecto P-Delta

Efectos de 2do ordenEfectos de segundo ordenPara analizar la influencia del efecto P-Delta en la respuesta globalde la estructura se presenta en la Figura siguiente el caso de unsistema simple de un grado de libertad sometido a una fuerzalateral F, la cual origina un desplazamiento δ. Las cargasgravitatorias P también se desplazan generando un momento devuelco que se suma al inducido por la fuerza F, de modo que en uninstante dado M = F h + P δ. Este incremento del momento devuelco es equivalente a la acción de una fuerza lateral adicional,igual a P δ / h, la cual reduce la resistencia lateral de la estructura.Adicionalmente, el efecto de P-Delta disminuye la rigidez lateral,la cual eventualmente puede tomar valores negativos en la zona decomportamiento inelástico.

Efectos de 2do orden


Desde el punto de vista del diseño estructural, es necesariopreguntarse cuáles son las consecuencias del efecto P-Delta. Comose deduce de la Figura 1-10, éste produce un aumento en losdesplazamientos, dado que la rigidez real de la estructuradisminuye, y un aumento de la resistencia requerida(solicitaciones). La mayoría de los códigos de diseño consideranalgún índice o factor para cuantificar la importancia del efectoPdelta. Usualmente se considera un índice de estabilidad quedepende de las cargas gravitatorias, del corte basal y de losdesplazamientos laterales.


Se dispone de diversos procedimientos para considerar en el análisisestructural el efecto P-Delta, los cuales presentan distinto grado decomplejidad y precisión. Las especificaciones ANSI/AISC 360-10incluyen un método simplificado que considera la amplificación demomentos obtenidos de dos análisis elásticos de primer orden. Lamayoría de los programas de análisisestructural cuentan hoy con distintas opciones para considerar esteefecto. Una de las alternativas más usadas consiste en calcular la rigidezglobal de la estructura incluyendo una matriz de rigidez geométrica.De esta forma es posible determinar sin iteraciones el aumento desolicitaciones y desplazamientos resultante del efecto P-Delta, tanto enanálisis estáticos como dinámicos. Finalmente, otros métodos plantean elproblema como un caso general de no linealidad geométrica aplicandoprocedimientos iterativos

Efectos de 2do ordenComportamiento sísmico de las estructurasde aceroEl acero es el material más dúctil entre aquellos de uso estructural. Sin embargo, es un error grave considerar que esta propiedad inherente al material se traslada automáticamente al sistema estructural. Las investigaciones desarrolladas en los últimos 30 años han demostrado que para asegurar el comportamiento dúctil de las estructuras es necesario suministrar adecuada ductilidadno sólo a nivel del material, sino también a nivel seccional y de los miembros que componen el sistema (columnas, vigas, riostras, conexiones). Para ello se debe, en primer lugar, identificar y conocer las condiciones que pueden conducir a mecanismos de falla frágil y, luego, adoptar estrategias de diseño para obteneruna respuesta estable y con adecuada capacidad dedisipación de energía.

Efectos de 2do ordenComportamiento sísmico de las estructurasde aceroEl diseño y detalle de las conexiones entre los distintos componentesestructurales es un aspecto de fundamental importancia para alcanzarestos objetivos. Antes de 1988, en general, no se disponía deespecificaciones reglamentarias para el adecuado detalle de estructurassismorresistentes de acero . Afortunadamente esta situación se harevertido y en la actualidad se cuenta con especificaciones que seconsideran seguras y confiables.En el caso de estructuras sismorresistente, el control de los fenómenos deinestabilidad resulta más importante aún que en las estructuras comunes,dado que su ocurrencia degrada la respuesta en términos de resistencia yrigidez, disminuyendo así su capacidad de disipar energía. Lasespecificaciones de diseño incluyen requerimientos específicos alrespecto, particularmente en aquellas zonas donde se espera que sedesarrollen deformaciones plásticas (por ejemplos, rótulas plásticas envigas, zonas fluencia por tracción o corte, etc.)

Efectos de 2do ordenComportamiento sísmico de las estructurasde aceroEl uso de electrodos inadecuados, que no califican para obtener valores deresiliencia* requeridos actualmente. Los ensayos realizados sobre probetasobtenidas de edificios con daños por fractura mostraron valores muy reducidosde resiliencia * (mediante ensayo de Charpy en probetas con muesca en V).La práctica constructiva de dejar elementos de respaldo (steel backing) que, sibien sirven durante el proceso de soldadura de cordones de penetracióncompleta, generan problemas en la raíz de la soldaduraLa presencia de defectos en la raíz de la soldadura, que no fueron detectadosmediante ensayos de ultrasonido. El uso de prácticas constructivas no recomendadas, como el calentamientoexcesivo de las piezas a soldar para aumentar la velocidad de deposición delmaterial de soldadura,Otros efectos adversos, tales como deformaciones de corte excesivas en elpanel nodal, efectos de velocidad de deformación (strain rate), efectos deinteracción con losas de hormigón armado, etc.*Esa capacidad de resistencia se prueba en situaciones de fuerte y prolongado estrés


Fractura de una riostra en X en la sección neta

Daño severo en la viga y conexión de un pórticocon arriostramientos en V invertida


Pandeo local en el extremo de una riostra de acero

Fractura de riostras en la zona de conexión

Fractura en una conexión soldada

Efectos de 2do ordenEspectros de respuestaEn forma general, puede definirse espectro como un gráfico de la respuesta máxima (expresada en términos de desplazamiento, velocidad, aceleración, o cualquier otro parámetro de interés) que produce una acción dinámica determinada en una estructura u oscilador de un grado de libertad.

En estos gráficos, se representa en abscisas el periodo propio de la estructura (o la frecuencia) y en ordenadas la respuesta máxima calculada para distintos factores de amortiguamiento ξ.

Efectos de 2do ordenEspectros de DiseñoDebido a que los espectros de respuesta representan el efecto de un solo registro deaceleración, no pueden usarse para el diseño. Por esta razón, los reglamentos sismoresistentes utilizan espectros de diseño. Éstos presentan dos características principales: (i)consideran la peligrosidad sísmica de una zona o región y (ii) son curvas suavizadas, esdecir, no presentan las variaciones bruscas propias de los espectros de respuesta.

Los coeficientes Fa y Fv se encuentran tabulados y sus valores dependen de la clase de sitio y de los niveles de aceleración SS y S1.

Efectos de 2do ordenFILOSOFÍA DEL DISEÑO SISMORRESISTENTE

Criterio general

Los códigos de diseño estructural usualmente indican el nivel general de protección que debe esperarse de ellos. Para las estructuras sismo resistentes la mayoría de los códigos establece requerimientos mínimos para asegurar la protección de la vida humana (esto es, evitar el colapso parcial o total) pero sin controlar el daño que puede resultar de la acción sísmica.Las estructuras sismo resistentes, salvo casos especiales, se diseñan para responder en rango inelástico, de modo de desarrollar ductilidad y disipar energía durante la ocurrencia de un terremoto severo. Es por ello que las fuerzas o aceleraciones obtenidas a partir del espectro de diseño (espectro elástico) son reducidas mediante un factor de modificación de respuesta, R (cuya evaluación se discute en detalle en la sección siguiente).De esta forma el espectro de diseño elástico se transforma, a través del factor R, en un espectro de diseño inelástico.

clase 4 - 2 usac

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