consideraciones acerca de sistemas sismorresistentes en acero

Consideraciones acerca de sistemas

sismorresistentes en acero

Ing. Daniel Silvério

CTS / Commercial Technical Support – ArcelorMittal International (Brasil)

Consideraciones iniciales

• Un placer poder darle seguimiento a esta serie de conversatorios enfocados en Acero Estructural

• Se desea que el auditorio pueda tener una visión general acerca de la filosofía de diseño y principales sistemas

• Adicionalmente, abordaremos aspectos específicos acerca de la materia prima, con foco en aceros de alta resistencia

Agenda de la conferencia

•Consideraciones iniciales

•El tipo de acero: buenas prácticas

•Filosofía de diseño

•Base normativo

•Sistemas Sismorresistentes en Acero

•El uso de Aceros de Alta Resistencia (A913) en Sistemas Sismorresistentes

Parte 1 – Ing. Daniel Silvério


Acción sísmica

• Origen más probable →movimiento de placas

• Se trata de los efectos de movimiento del suelo

• Incertidumbres: ubicación exacta, cuando y amplitud del movimiento del suelo (aceleraciones)


El concepto de disipación de energía

• Concepto a → Rígido & Frágil (rango elástico)

• Concepto b → “Flexible” & Dúctil (incursión inelástica)


Propiedad Fundamental

• DUCTILIDAD: Relación entre deformaciones (elongación, deflexión) → rotura/cedencia

𝐷𝑈𝐶𝑇𝐼𝐿𝐼𝐷𝐴𝐷 =𝜀𝑢𝑀𝐴𝑋𝜀𝑦𝑀𝐴𝑋


¿QUÉ MATERIAL PUDIERA ENTREGAR BUENA DUCTILIDAD?


EL ACERO


EL ACERO

• Dúctil en su esencia

• Múltiples posibilidades en cuanto a mecanismos de incursión inelástica (conexiones)

• Altísimo nivel de confiabilidad: propriedades mecánicas & geométricas

• Flexibilidad y Óptima relación resistencia x peso

Contexto histórico: Northridge (1994)

• No hubo colapsos de edificios en acero

• Edificios en acero se comportaron relativamente bien

• Uniones Vigas-Columnas de Sistemas e Pórticos a Momento → fallas frágiles no previstas

• Mecanismos de falla → Fisuras originarias en soldaduras tipo CJP propagándose hacia los patines de las columnas

El tipo de acero: buenas prácticas

Contexto histórico: Northridge (1994)

• The SAC Steel Project (FEMA) →mejorar el detallado / especificaciones de materiales más adecuadas para requerimientos sísmicos

• FEMA 350

• AISC 341→ Provisiones sísmicas (columna fuerte-viga débil)

• AISC 358 → Conexiones precalificadas a momento

• Control de CE

• A992

• Tenacidad CVN → evitar la formación de fisuras en el metal base

• A913


Propiedades deseables

• TENACIDAD: Capacidad de absorción de energía (redistribución de tensiones) sin la aparición de mecanismos de falla frágil → CVN

• SOLDABILIDAD: Facilidad con que se puede soldar bajo prácticas “usuales”, ayudando a prevenir mecanismos de falla frágil (fisuración en frío) → CE


CONFIABILIDAD ACERCA DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS

• FEMA 355A (1995) → aceros bajo esp. ASTM A36 → Prueba > 1.5 Nominal

• Concepto “RESISTENCIA ESPERADA”



NORMA GRADO fy (MPa) fu (MPa)Al.min200mm

Al.min50mm

CEIIW

CVNASTM A673

A36-14 36 Min. 250 400-550 20% 21% N/E N/E

A572-18

42 Min. 290 Min. 415 20% 24% N/E N/E

50 Min. 345 Min. 450 18% 21% N/E N/E

55 Min. 380 Min. 485 17% 20% N/E N/E

60 Min. 415 Min. 520 16% 18% N/E N/E

65 Min. 450 Min. 550 15% 17% N/E N/E

A992-15 50 345-450 Min. 450 18% 21% 0.45% Suplementario

A913-19

50 Min. 345 Min. 450 18% 21% 0.38% 54J a 21°C

60 Min. 415 Min. 520 16% 18% 0.40% 54J a 21°C

65 Min. 450 Min. 550 15% 17% 0.43% 54J a 21°C

70 Min. 485 Min. 620 14% 16% 0.45% 54J a 21°C

80 Min. 550 Min. 655 13% 15% 0.49% 54J a 21°C

EVITAR MECANISMOS FALLA FRÁGIL

• BUENA SOLDABILIDAD → CE

• ADECUADA TENACIDAD → CVN


UN BUEN DISEÑO COMIENZA CON UNA BUENA ELECCIÓN DEL TIPO DE ACERO

A913

A992

A572

A36Esp

ecif

icac

ion

esm

ás r

estr

icta

sEsp

ecificacion

es“p

ob

res”

Filosofía de Diseño

DISIPACIÓN DE ENERGÍA / MECANISMOS FUSIBLES

• Elementos de la estructura estratégicamente seleccionados →rango inelástico, disipando energía → $$$$ x Control del daño

• Ductilidad → capacidad de deformarse sin pérdidas de resistencia significativas ni tampoco daños excesivos



• Pórticos Resistentes a Momento → Viga

• Pórticos Con Arriostramientos Concéntricos → Riostras

• Pórticos Con Arriostramientos Excéntricos → Enlaces



• Demás elementos permaneciendo en el rango elástico

• Control de fallas frágiles → conexiones & diseño por capacidad (máximos esfuerzos probables)


FACTOR DE MODIFICACIÓN DE RESPUESTA “R” → Cargas reducidas

• Capacidad de disipación de Energía del sistema sismorresistente (Ductilidad “Global de la estructura”)

• Redundancia

• Irregularidad

0,000

0,200

0,400

0,600

0,800

1,000

1,200

0,000 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000

ESPECTROS DE RESPUESTA


DIRECTRICES GENERALES

• Espectro de Respuesta

• Elástico (corregido por Cd) → Verifico las derivas entre pisos

• Inelástico (reducido por R) → Diseño

• Revisión de Irregularidades: horizontal torsional / vertical piso flexible y blando

• Redundancia

Base Normativo

ACCIÓN SÍSMICA Y DEMÁS CONDICIONES DE CONTORNO

• Tipo de Sistema Estructural, Categoría (Riesgo), Irregularidades y Redundancia

• Espectro de Respuesta

• Limitaciones en altura

• Detallados y requerimientos especiales

• Límites máximos para derivas entre pisos

Base Normativo

ASCE 7-16

SISTEMA SISMORRESISTENTE R Ω0 Cd

ALTURA (pies) según Categoría deDiseño Sísmico (suelo)

B C D E F

EBF - Pórtico con Arriostramientos Excéntricos

8 2 4 NL NL 160 160 100

SCBF - Pórticos Especiales con Ariostramientos Concéntricos

6 2 5 NL NL 160 160 100

SMF - Pórticos Especiales Resistentes a Momento

8 3 5.5 NL NL NL NL NL

Base Normativo

R-001 (República Dominicana)

SISTEMA SISMORRESISTENTE Rd CdALTURA (m) según Zona Sísmica

Z1 Z2

EBF - Pórtico con Arriostramientos Excéntricos

5 4 NL NL

SCBF - Pórticos Especiales con Ariostramientos Concéntricos

4.5 4 NL NL

SMF - Pórticos Especiales Resistentes a Momento

5.5 4.75 50 NL

Pórticos Especiales de HormigónReforzado

5.5 4.75 NL NL

Base Normativo

AISC 360-16

• Diseño a tracción

• Diseño a compresión

• Diseño a corte

• Diseño a flexión

Base Normativo

AISC 341-16: PROVISIONES SÍSMICAS

• Materiales

• Criterios de Ductilidad: sección transversal

• Criterios de Ductilidad: Max Lb

• Chequeos adicionales

Base Normativo

AISC 341-16: PROVISIONES SÍSMICAS (Materiales)

• Elementos fusibles →máx. gr.50

• Columnas →máx. gr.70 (SMF, STMF, C-SMF, EBF, SCBF, C-SCBF,C-EBF)

Base Normativo

AISC 341-16: PROVISIONES SÍSMICAS (Materiales)

• Resistencias Esperadas

Base Normativo

AISC 341-16: PROVISIONES SÍSMICAS (Ductilidad Sección Transv.)

• Moderada Ductilidad

• Alta Ductilidad

Base Normativo

AISC 341-16: PROVISIONES SÍSMICAS (Ductilidad Max. Lb)


• Alta Ductilidad

𝐿𝑏 ≤0,19 × 𝑟𝑦 × 𝐸

𝑅𝑦 × 𝑓𝑦

𝐿𝑏 ≤0,095 × 𝑟𝑦 × 𝐸

𝑅𝑦 × 𝑓𝑦

Base Normativo

AISC 341-16: PROVISIONES SÍSMICAS (Ductilidad)


• Alta Ductilidad

Sistemas Sismorresistentes en Acero

PÓRTICOS RESISTENTES A MOMENTO

• OMF

• IMF

• SMF Mayores alturas

Se requiere mayor ductilidad

Son necesarios controles y detallados más estrictos


SMF – Pórticos Especiales Resistentes a Momento

• Alta ductilidad → buena disipación de energía

• Respuesta → Corte y flexión

• Poca rigidez → Problemas con las derivas / limitación de altura

• Mecanismo fusible → Rotula plástica en la viga / panel nodal / columna (evitar)

• Arquitectura →menor impacto


SMF – Pórticos Especiales Resistentes a Momento

• VIGAS → Alta Ductilidad / Flexión

• COLUMNAS → Alta Ductilidad / Flexo-compresión

• COLUMNA FUERTE-VIGA DÉBIL

• ZONA DEL PANEL (Distorsión por corte) → Doubler plates + Chapas de continuidad

• VERIFICACIÓN ESPECIAL DE LA COLUMNA → Carga máxima probable luego de la rotula plástica en la viga

• CONEXIÓN → En el ala / precalificada (AISC 358)


CBF – Pórticos con Arriostramiento Concéntrico

• IMF

• SMF

Mayores alturas

Se requiere mayor ductilidad

Son necesarios controles y detallados más estrictos


SCBF – Pórticos Especiales con Arriostramiento Concéntrico

• Moderada ductilidad y disipación de energía

• Respuesta → Tracción y compresión

• Mucha rigidez → Buen desempeño frente a las derivas / más altura

• Mecanismo fusible → Cedencia/pandeo de las riostras

• Arquitectura → “desfavorable”



• VIGAS →Moderada Ductilidad / Axial o flexión compuesta

• COLUMNAS → Alta Ductilidad / Compresión o Flexo-compresión

• RIOSTRA → Alta Ductilidad / Cedencia o pandeo

• Riostras con Esbeltez Global 40 ~ 100 →Mayor disipación de energía

• MÁXIMO ESFUERZO PROBABLE Caso 1 → todas las riostras traccionadas y comprimidas

• MÁXIMO ESFUERZO PROBABLE Caso 2 → todas las riostras traccionadas y comprimidas en post-bucklling (30% compresión total)

• ALTERNATIVA → Análisis no lineal / limitación de la demanda

𝐶𝑜𝑚𝑝 = 1.2 + 0.2𝑆𝐷𝑆 𝐶𝑃 + 𝐶𝑉 + Ω0𝑆𝐻

𝑇𝑟𝑎𝑐 = 0.9 − 0.2𝑆𝐷𝑆 𝐶𝑃 − Ω0𝑆𝐻



• Detallado especial → Criterio 2t


EBF – Pórticos con Arriostramiento Excéntrico

• Alta ductilidad y disipación de energía

• Respuesta → Flexión o Corte

• Buena rigidez → Buen desempeño frente a las derivas / más altura

• Mecanismo fusible → Cedencia de los enlaces

• Arquitectura → poco menos “desfavorable”



• VIGAS (fuera del enlace) →Moderada Ductilidad / Flexo compresión

• RIOSTRA →Moderada Ductilidad / Flexo Compresión

• ENLACE → Alta Ductilidad / Flexión o Corte

• COLUMNAS → Alta Ductilidad / Flexo-compresión

• Punto Clave → Longitud del enlace (e) ecr = 2MP/VP

• Control de la rotación del enlace (0.02 ~0.08 rad) →empotramientos

Otros sistemas

BRB – Pórticos con Riostras de Pandeo Restringido

• Restricción del pandeo → Tubo metálico + mortero envolviendo la barra central

• Excelente Ductilidad y disipación de energía

• Alto costo (?)

Otros sistemas

SPSW – Muros Especiales con Placa de Acero

• Buena combinación entre rigidez y ductilidad

Otros sistemas

SISTEMAS MIXTOS Y/O OCMBINADOS

• Rigidez del concreto

• Flexibilidad y ligereza del acero

Otros sistemas

SPPEDCORE

• Velocidad!!!

https://www.aisc.org/why-steel/SpeedCore#40636

https://www.aisc.org/why-steel/SpeedCore#40636

El uso de Aceros de Alta Resistencia (A913) en

Sistemas SismorresistentesHISTAR (High Strength ArcelorMittal Steel)

• Mediados de los años 1990 → innovación en el proceso de producción: el QST

• Proceso “In-Line”: laminación termo mecánica + templado y auto revenido

• Refino de la estructura de granos

• Alta Resistencia Mecánica

• Buena ductilidad, tenacidad y soldabilidad

QST (Quenching and Self-Tempering)

• Alta resistencia mecánica: grados 50, 60, 65, 70 y 80 ksi

• Buena soldabilidad: no es necesario soldar con precalentamiento, siempre y cuando electrodos con bajo hidrógeno (H8) sean utilizados

• Adecuada Tenacidad: ASTM A913 determina un nivel promedio mínimo de tenacidad CVN de 54J a temperatura de 21°C, lo que no es un requisito estándar en las normas ASTM A36, A572, ni en la A992


Sistemas Sismorresistentes

MEJOR PERFORMANCE EN SISTEMAS TIPO SMF

• Criterio Columna fuerte-viga débil se vuelve más sencillo de cumplir

• Refuerza la aparición de la rotula plástica en la viga

• Mayor capacidad de carga axial en las columnas

• Reducción / eliminación de las “Doubler Plates” → planchas de refuerzo del alma en la Zona del Panel

• Eliminación del precalentamiento en soldaduras

• Ojo: max. Fy en columnas de sistemas sismorresistentes = 70 ksi



MEJOR PERFORMANCE EN SISTEMAS TIPO SMF - RBS

• Reduced Beam Section (“Hueso de Perro”)

• Debilitamiento de la sección de la viga → forzar la aparición de la rotula plástica en la misma

• Rotula plástica a la mitad de la distancia “b”

• Disipación de energía con la falla de la viga y columnas siguiendo en el rango elástico

• Patentado por ArcelorMittal en 1989, con uso liberado tras el terremoto de Northridge



MEJOR PERFORMANCE EN SISTEMAS DONDE EL CONTROL DE DERIVAS NO ES PROBLEMÁTICO

• Mayor capacidad de carga axial en las columnas

• Eliminación del precalentamiento en soldaduras

• Ojo: max. Fy en columnas de sistemas sismorresistentes = 70 ksi



EJEMPLO

CONFIGURACIÓN 1: Sistema sismorresistente en pórticos tipo SMF en las dos direcciones con el uso de acero ASTM A992 (gr.50)CONFIGURACIÓN 2: Pórticos tipo SCBF en las dos direcciones utilizando acero ASTM A992 (gr.50) – en la dirección longitudinal, en ambas las fachadas y, transversalmente, a cada 2 ejesCONFIGURACIÓN 3: Misma configuración con relación a la anterior, pero utilizando acero ASTM A913 gr.65 para las columnas.



EJEMPLO

• Bogotá / Colombia → Sismicidad Intermedia

• Suelo Tipo C

• Grupo II



𝐼 = 1,10

0,000

0,100

0,200

0,300

0,400

0,500

0,600

0,000 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000

ESPECTRO DE ACELERACIONES

EJEMPLO

• Revisión de los resultados



CONCLUSIONES

• Se observa que la posibilidad de utilización de sistemas de pórticos arriostrados trae un aporte de rigidez muy importante, controlando las derivas de manera eficiente y posibilitando un ahorro del orden de 23% en el peso de la estructura

• Los perfiles en acero ASTM A913 gr.65 son capaces de aumentar mucho la eficiencia de pórticos arriostrados – en el ejemplo que se ha presentado, se pudo observar un ahorro de 10% (peso global de la estructura) con respecto a la misma solución en acero gr.50.



¡Muchas gracias por su atención!

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Ing. Daniel Silvé[email protected]+55 11 94511 6438São Paulo, Brasil

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