Vulnerabilidad de las estructuras de Acero.

Vulnerabilidad Ssmica de las Estructuras de Acero.Por: Manriquez Senz Leobardo.Ingeniera ssmica.

Objetivo: Evaluar la Vulnerabilidad de Estructuras a base de Acero Estructural, en base a su ndice de Vulnerabilidad. Antecedentes.

Es importante citar una cadena temporal del como hemos llegado de las primitivas y modestas chozas de mampostera a las grandes y refinadas edificaciones de hoy en da y que se basan en una serie de normas y especificaciones que con el tiempo se han ido ajustando y perfeccionando.

3Evolucin en Diseo y Construccin Estructural.

1878 --- Ley de Hooke.

1854 --- Empieza la produccion en gran escala del Acero.

La era de la edificaciones de acero y concreto surge 1861.

Hooke estableci la ley fundamental que relaciona la fuerza aplicada y la deformacin producida. Para una deformacin unidimensional, la Ley de Hooke se puede expresar matemticamente as:Fue Robert Hooke (1635-1703), fsico-matemtico, qumico y astrnomo ingls, quien primero demostr el comportamiento sencillo relativo a la elasticidad de un cuerpo. Hooke estudi los efectos producidos por las fuerzas de tensin, observ que haba un aumento de la longitud del cuerpo que era proporcional a la fuerza aplicada. http://www.proyectosalonhogar.com/Enciclopedia_Ilustrada/Ciencias/Ley_de_Hooke.htmSi el slido se deforma mas all de un cierto punto, el cuerpo no volver a su tamao o forma original, entonces se dice que ha adquirido una deformacin permanente.

5Principales ventajas:Su alta ductilidad.

Su ligereza.

Poca exposicin, a agentes degradantes.

El acero es un material muy verstil y resistente, el cual arepresentado un Boom en la edificacin de estructuras cada vez mas altas y atrevidas, que lo que pudiramos lograr con estructuras de concreto reforzado. 6

Escenarios del dao y fallas:Mxico, 1985. Complejo Pino Suarez., sufridos en estructuras de acero por sismos documentados:7

Northridge, 1994. Sin colapsos pero daos internos en las juntas de Acero:

8

http://www.weldreality.com/north-ridge-3.gif

9

Kobe, 1995. 90 edificios de acero colapsaron., presentando fallas de ruptura en columnas tubulares, plastificacin y Pandeo, asi pues el sistema viga debil-columna fuerte, fallo.12

Las conexiones viga-columna son el punto ms vulnerable de las estructuras de acero sometidas a sismos.

La falla ms comn es la que ocurre por pandeo local en los patines y en el alma.

A pesar de las ventajas del acero y su tenacidad, no deja de ser un material con un limite a fallas por cargas accidentales, siendo la de mayor inters para nosotros la ocasionada por sismos, en respuesta a esto debe haber ciertos parmetros que nos permitan calcular que tan susceptible es una edificacin a base de Acero en base a su diseo, configuracin y caractercas fsicas.

14Vulnerabilidad.La vulnerabilidad ssmica estructural se define como la cantidad de dao esperado, causado o inducido por un nivel dado de medida de intensidad ssmica.

Definicin general.

Vulnerabilidad Estructural: que est asociada al dao de elementos de la estructuraresistente, es decir vigas, columnas, losas, muros estructurales y fundaciones.Vulnerabilidad No Estructural: que est asociada al dao de elementos del tipo noestructural, tales como tabiques, fachadas, vidrios, cielos falsos, etc., equipo medico eindustrial, y servicios distribuidos (gases, comunicaciones, agua potable, aguas servidas,electricidad, aire acondicionado, etc.).Vulnerabilidad Organizacional:que est asociada a la organizacin humana y a su relacincon la infraestructura. Esta relacin debe considerar los distintos estados de lainfraestructura para las diversas situaciones de desastre. Esta vulnerabilidad tambin se lereconoce como mdico-administrativo-arquitectnica.Adicionalmente, la Vulnerabilidad Hospitalariadepende del objetivo que se establezcapara el hospital. Estos objetivos pueden ser proteccin de la operacin, proteccin de la inversin,proteccin de la vida o una combinacin de estos. El alcance u objetivo de la definicin devulnerabilidad para el hospital debe establecerse de acuerdo a las caractersticas que tenga elsistema en el cual el establecimiento est inserto a nivel nacional y regional y a la severidad delevento ssmico: frecuente, ocasional, raro o mximo creble.

15Se debe de tener en cuenta que la vulnerabilidad ssmica de una estructura es una propiedad intrnseca de cada estructura, y , adems, es independiente de la peligrosidad del emplazamiento.

En otras palabras una estructura puede ser vulnerable, pero no estar en riesgo si no se encuentra en un lugar con un determinado peligro ssmico.Se debe recalcar que no existen metodologas estndares para estimar la vulnerabilidad de las estructuras. El resultado de los estudios de vulnerabilidad es un ndice de dao que caracteriza la degradacin que sufrira una estructura de una tipologa estructural dada, sometida a la accin de un sismo de determinadas caractersticas. (Kuroiwa Higa, 1990).Las normas y cdigos de diseo sismo resistente juegan un papel muy importante en el futuro de las edificaciones.(Carolina Tovar,2007).En cuanto al anlisis sobre vulnerabilidad estructural, existen diversas metodologas cada una con su propia literatura y estadstica de acuerdo a los eventos sucedidos en su regin de estudios aunque siempre compartiendo similitudes, por su naturaleza ssmica. En general estos mtodos podemos clasificarlos de la siguiente manera:

16Mtodos:Cualitativos.Experimentales.Analticos.

Informacin cuantitativa. Informacin en formato numrico.Informacin cualitativa. Informacin en formo de texto o narrativo.17Por nombrar algunos de los mtodos :

Curvas de fragilidad. Ghobarah et al ,1997.Mtodo Japons. Hirosawa, 1992Mtodos ATC-14 , ATC-22 y ATC-21.Mtodo de Energa.

aqu esta un listado18Funciones de Vulnerabilidad.Mtodo MSR-98.Mtodo FEMA178.Mtodo FEMA273.EMS-98.

Mtodo de la NSR-98, ( AIS, 1997)VSG GNDT ,1986.Matrices de Probabilidad de dao.Mtodo NAVFAC.Mtodo mexicano (Iglesias, 1989)

Metodologa rpida para determinar el ndice de vulnerabilidad .Propuesta por Chang,1995 basada en ATC-21

El mtodo evala 16 parmetros en 2 categoras: La estructural y la Sitio/cimentacin.

Propuesta por Chang,1995 basada en ATC-21, pero agregando consideraciones en aspectos de : Potencial de Licuefaccin, Tipo de cimentacin y estabilidad de taludes. El mtodo es conveniente en cuanto a costo-economia y sirve como un preliminar a una evaluacin mas detallada, tardada y costosa de vulnerabilidad.

entre mas cerca se este de esa cifra menor es la vulnerabilidad del edificio, entendindose que no hay edificacin con tal calificacin ya que al depender de varios factores estructurales y de terreno, alguno presentara una falla, por mejor diseada que este la estructura, siempre el terreno puede presentar cambios o irregularidades. El tiempo de clculo va de entre 20 a 40 min por edificio, lo que representa una economa de tiempo para un proyecto.

21

La puntuacin mxima total a la que aspira una edificacin es de 108 Tabla ejemplificando el sistema de puntuacin de Chang,1995.22EMS-98

Escala macrosismica europea23Contiene un tipo estructural denominado "estructuras de acero", abarca bajo esta nica denominacin a todos los edificios en los cuales el sistema estructural principal est hecho de miembros de acero. que, a diferencia de los tipos estructurales de concreto o de mampostera que tienen varios subtipos, 24El dao estructural puede, sin embargo, estar enmascarado por elementos no estructurales tales como el repello, o paredes de tabiques o aadidos de concreto e.n sistemas compuestos

La EMS-98 define cinco grados de dao: leve (1), moderado (2), severo (3), muy severo (4) y colapso (5). No obstante, a diferencia del caso de los edificios de mampostera y de hormign armado, no describe los efectos que se haran notorios en las estructuras de acero y que corresponderan a cada uno de esos grados de dao. 27

Las expresiones matemticas de la distribucin de probabilidad binomial y del estado de dao ms probable son:donde:Pk Probabilidad de que ocurra el estado de dao k, dado un valor de d.N Nmero de estados de dao, incluido el nulo. En este caso N = 6.d Parmetro de dao. Toma valores de 0 a 1.k Grado de dao. Toma el valor de 0 para el estado de dao nulo y de losenteros de 1 a 5 para los estados de dao de leve a colapso, en ese orden.d* Estado de dao ms probable.28

Para efectos de calcular una matriz de probabilidad de dao para una determinada clase de vulnerabilidad se procede a buscar, de forma iterativa, el valor del parmetro de dao d para el que se cumple la condicin de cantidad de edificios afectados.29

Mtodo del ATC - 14 .Se hace nfasis en la determinacin de los "puntos dbiles del edificio" con base en la observacin de daos en edificios similares ocurridos en eventos ssmicos previos.

Applied Technology Council (ATC)Este mtodo evala el riesgo ssmico potencial de cualquier tipo de estructura, ubicado en cualquier zona de riesgo ssmico en los Estados Unidos

Para empezar tenemos que hacer una depuracin de los mtodos que existen y que podemos aplicar a una estructura de acero, ya que la mayora de los listados son aplicables a estructuras a base de mampostera y concreto armado, por la naturaleza del pas donde fueron concebidos en nuestro caso elegiremos los mtodos americanos mas adaptables a la evaluacin de acero en la estructura y por su cercana a la region.

32Inicialmente se identifican aquellos edificios que significan un riesgo para la vida humana:

Posibilidad que el edificio entero colapse. Posibilidad que porciones del edificio colapsen.

Si componentes del edificio pueden fallar o caerse.Factibilidad de bloqueo de las salidas, impidiendo la evacuacin o el rescate.

El mtodo evala los esfuerzos cortantes actuantes, los desplazamientos relativos en el entrepiso y ciertas caractersticas especiales del edificio.

El procedimiento bsico es el siguiente:

1. Recoleccin de datos. 2. Inspeccin detallada in-situ.363. Descripcin del modelo estructural del edificio.

374. Clculo aproximado de Esfuerzo axial y desplazamientos relativos en miembros de acero. 5. Comparacin de la relacin Capacidad/Demanda (C/D)

6. Estimacin rpida de la deriva o desplazamiento relativo (k/h) como:

(k/h) Valor especificado en la norma