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IMPLICACIONES ECONÓMICAS DEL REGLAMENTO NSR-10

EN EL DISEÑO SÍSMICO DE EDIFICACIONES DE ACERO

Enfoque de la Presentación

• Visión general de consideraciones propias

del diseño Sismo Resistente.

• Disposiciones actuales, con referencia al

reglamento NSR-98 cuando sea el caso.

• Cómo impactan estos requerimientos en

los costos de las estructuras de acero.

CONTENIDO

• ¿CUÁL ES LA FILOSOFÍA DE LAS NORMAS?

• ¿A QUÉ CARGAS NOS ENFRENTAMOS?

• ¿CUÁL ES LA ESTRATEGIA DEL DISEÑO?

• ¿DE QUÉ DISPONEMOS PARA LOGRAR

NUESTRO OBJETIVO?

• FRENTES A CUIDAR

• CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

¿CUÁL ES LA FILOSOFÍA

DE LAS NORMAS?

• Objeto del Reglamento

• Desempeño Objetivo

• Expectativas Razonables

• Grupos de Uso y Coeficientes de Importancia

• Diseño por Factores de Carga y de Resistencia vs.

Diseño por Esfuerzos Admisibles

Objeto del Reglamento • Reducir a un mínimo el riesgo de pérdida

de vidas humanas.

• Proteger en alguna medida el patrimonio

del Estado y de los ciudadanos.

Desempeño objetivo Una edificación debe ser capaz de resistir,

además de las fuerzas que le impone su uso:

• temblores de poca intensidad sin daño,

• temblores moderados sin daño estructural, pero

aceptando algún daño en elementos no

estructurales, y

• un temblor fuerte con daños a elementos

estructurales y no estructurales, pero sin

colapso.

Desempeño objetivo

En NSR-10 los movimientos sísmicos de diseño

se mantienen en una probabilidad de 10% de ser

excedidos en un lapso de cincuenta años, lo cual

corresponde a un período de retorno T de 475

años.

Expectativas razonables En el evento de un sismo fuerte, con movimientos

sísmicos del orden de los de diseño, las

edificaciones construidas cumpliendo con el

Reglamento podrán presentar daños estructurales

y daños no estructurales.

Aunque en principio estos daños deberán ser

reparables, en algunos casos la reparación no

será factible desde el punto de vista económico.

Grupos de Uso Grupo Descripción

IV

Edificaciones Indispensables

Deben funcionar durante y después de un sismo, y su operación no

puede trasladarse rápidamente a un lugar alterno. Entre otras:

• Hospitales, clínicas (cirugía, cuidados intensivos, urgencias)

• Aeropuertos, sistemas masivos de transporte, telecomunicaciones

• Refugios para emergencias

• Centrales de operación y control de servicios vitales

III

Edificaciones de atención a la comunidad, entre otras:

• Estaciones de bomberos, defensa civil, policía, fuerzas armadas

• Sedes de prevención y atención de desastres

• Centros de enseñanza

era Grupo II en NSR-98

Grupos de Uso Grupo Descripción

II

Estructuras de ocupación especial, entre otras:

• Más de 200 personas en un mismo salón

• Graderías al aire libre con capacidad para más de 2000 personas

• Almacenes y centros comerciales con más de 500 m2/piso

• Hospitales, clínicas, centros de salud no incluidos en Grupo IV

• Edificaciones donde residan o trabajen más de 3000 personas

• Edificios gubernamentales

I

Estructuras de ocupación normal

Coeficientes de importancia

Grupo NSR-98 NSR-10

IV 1.30 1.50

III 1.20 1.25

II 1.10 1.10

I 1.00 1.00

RESISTENCIA NOMINAL Rn

Propiedades mecánicas del material.

Dimensiones de la sección transversal.

Esfuerzos residuales.

Desviaciones de rectitud.

Imperfecciones de construcción y

montaje.

Deterioro por corrosión.

Variaciones en procedimientos de

montaje.

Cambio de uso.

Simplificaciones del análisis.

Dimensiones de construcción.

Magnitud de las cargas.

EFECTO DE LAS CARGAS NOMINALES ∑Qi

Diseño por Factores de Carga y de Resistencia

vs. Diseño por Esfuerzos Admisibles


vs. Diseño por Esfuerzos Admisibles Distribución de frecuencias para los efectos de las cargas (Q) y la Resistencia (R)


vs. Diseño por Esfuerzos Admisibles Distribución de frecuencias para pares Resistencia (R) - Carga (Q)

Condición “segura”:

R ≥ Q

R/Q ≥ 1

ln(R/Q) ≥ 0

Probabilidad

de falla



β: índice de seguridad

o índice de confiabilidad

Relación entre el valor medio

y la desviación estándar

para la distribución de

frecuencias de ln(R/Q)

RESISTENCIA NOMINAL Rn

Propiedades mecánicas del material.

Dimensiones de la sección

transversal.

Esfuerzos residuales.

Desviaciones de rectitud.

Imperfecciones de construcción y

montaje.

Deterioro por corrosión. ΣγQ

Variaciones en procedimientos de

montaje.

Cambio de uso.

Simplificaciones del análisis.

Dimensiones de construcción.

Magnitud de las cargas.

EFECTO DE LAS CARGAS NOMINALES ∑Qi

DIS

EÑ

O P

OR

ES

FU

ER

ZO

S A

DM

ISIB

LE

S

(AS

D)

DIS

EÑ

O P

OR

FA

CT

OR

ES

DE

CA

RG

A

Y D

E R

ES

IST

EN

CIA

(LR

FD

)

Concepto de Factor de Seguridad en Diseño por

Esfuerzos Admisibles:

• Se aplica el mismo factor a la carga muerta y a la

carga viva

• Resulta una considerable variación en los valores de β

Ejemplo:

Para vigas en perfiles laminados compactos y fluencia en

miembros a tensión:

• β = 3.1 para L/D = 0.5

• β = 2.4 para L/D = 4.0



La variación en el índice de confiabilidad β inherente al

diseño por esfuerzos admisibles (ASD) se reduce

sustancialmente con el Diseño por Factores de

Carga y de Resistencia (LRFD) mediante la

definición de unos valores objetivo de β

y la selección de factores de carga y de resistencia

apropiados para obtener dichos valores.



SEGURIDAD ESTRUCTURAL

DISEÑO POR FACTORES DE CARGA Y DE RESISTENCIA

• LRFD calibrado a ASD para L/D = 3.0 para

flexión en vigas compactas y fluencia en

miembros a tensión

• Factor de reducción de resistencia para estos

estados límites:

φ = 0.90

• Valores de β implícitos:

β = 2.6 para miembros

β = 4.0 para conexiones

Al adoptarse el Diseño por Factores de Carga y

Resistencia como único método permitido, se

descarta la posibilidad de escoger “a

conveniencia” entre este método y el de los

Esfuerzos Admisibles.

Los resultados serán así más consistentes en

cuanto al nivel de confiabilidad.



Para combinaciones de cargas gravitacionales, el

Diseño por Factores de Carga y Resistencia

requerirá elementos con resistencias nominales

mayores o menores que los que requeriría el

método de los Esfuerzos Permisibles según

que la relación entre la carga viva y la carga

muerta sea mayor o menor que 3.0.



Combinaciones de carga

NSR-98 NSR-10

1.4D 1.4D

1.2D+1.6L+0.5(Lr ó G) 1.2D+1.6L+0.5(Lr ó G ó Le)

1.2D+1.6(Lr ó G)+(0.5L ó 0.8W) 1.2D+1.6(Lr ó G ó Le)+(1.0L ó 0.5W)

1.2D+1.3W+0.5L+0.5(Lr ó G) 1.2D+1.0W+1.0L+0.5(Lr ó G ó Le)

1.2D+1.0E+(0.5L ó 0.2G) 1.2D+1.0E+1.0L

0.9D-1.3W 0.9D+1.0W

0.9D-1.0E 0.9D+1.0E

Adicionalmente aplicar las cargas T, F y H de manera que produzcan los

esfuerzos más críticos

¿A QUÉ CARGAS

NOS ENFRENTAMOS?

• Los parámetros Aa y Av como descripción de los

movimientos sísmicos esperados.

• Zonas de amenaza sísmica

• Efecto del suelo subyacente

• Espectros de diseño

• Fuerzas sísmicas

Movimientos sísmicos

y espectro de diseño

Los movimientos esperados del terreno, que

en las normas NSR-98 se describían

mediante el parámetro Aa, pasaron a

describirse usando los parámetros Aa y Av

en el Reglamento NSR-10.

¿cuál es el significado y las implicaciones

de este cambio?


y espectros de diseño

MOVIMIENTOS DEL TERRENO



Periodo Natural T (s)

Velo

cid

ad E

spe

ctr

al S

v (

cm

/s)

Vte =

51.5

cm/s

Representación

de los espectros

de respuesta de

velocidades,

aceleraciones y

desplazamientos

para un

amortiguamiento

del 5% del crítico



En los espectros de respuesta:

• La aceleración espectral tiende a ser constante

en el rango de períodos cortos (0.1 a 0.5 s)

• La velocidad espectral tiende a ser constante en

el rango de períodos intermedios (entre 0.5 s y

2.5 s)

• El desplazamiento tiende a ser constante en el

rango de periodos largos



Esto permite que la complejidad del

movimiento del terreno en un evento

sísmico se puede describir, para efectos

de diseño, a través de dos parámetros

obtenidos de los espectros de respuesta.

Periodo Natural T (s)

Velo

cid

ad E

spectr

al S

v (

cm

/s)

Sv

2.5

Vpe





Sa(g): promedio de la aceleración

amplificada por resonancia en el rango de

periodos entre 0.1 y 0.5 s

Sv (m/s): promedio de la velocidad

amplificada por resonancia en el rango de

periodos entre 0.9 y 1.1 s



Ape (g):aceleración pico efectiva, valor

representativo de las aceleraciones del

movimiento del terreno, sin amplificación

por resonancia, en el rango de periodos

cortos.

Ape= Sa/2.5



Vpe (m/s): velocidad pico efectiva, valor

representativo de las velocidades del

movimiento del terreno, sin amplificación

por resonancia, en el rango de periodos

intermedios.

Vpe= Sv/2.5



En NSR-10, el espectro de aceleraciones de diseño está

en términos de Aa y Av como valores representativos de

los movimientos del terreno:

Aa (g): corresponde a la aceleración pico efectiva

Aa = Ape

Av (g): coeficiente que corresponde a la velocidad pico

efectiva, Vpe, expresada en términos de aceleración

Av (g) = (4/3)Vpe (Vpe en m/s)

Movimientos sísmicos y espectro de diseño

Mapas de valores de Aa y Av en NSR-10


Aunque ya en el CCCSR-84 el espectro de

aceleraciones de diseño estaba definido

en términos de Aa y Av, para NSR-98 se

había suprimido la referencia al parámetro

Av por considerarse que los registros

disponibles en aquel momento no eran

suficientes para establecer la distinción

entre los dos parámetros.


Gracias a la Red Sismológica Nacional,

adscrita a Ingeominas, se pasó de 11.008

eventos registrados en 1995 a 33.100

eventos a mayo de 2009.

Esta base permitió volver en NSR-10 a la

formulación con base en Aa y Av, con lo

cual se gana una mejor descripción de los

efectos de atenuación de las ondas

sísmicas en el territorio nacional.



El mejor conocimiento de la tectónica

nacional obtenido a través de las amplias

investigaciones adelantadas por varias

instituciones y universidades del país

permiten así hoy realizar diseños más

confiables.


Mapas de valores de Aa en NSR-98 y NSR-10

Además de aparecer el nuevo mapa de

valores de Av, hay cambios en el mapa de

valores de Aa entre NSR-98 y NSR-10.



NSR-98 NSR-10



Cambio en valores de Aa para capitales de departamento:

Ciudad NSR-98 NSR-10

Bogotá D.C 0.20 0.15

Cúcuta 0.30 0.35

Medellín 0.20 0.15

Montería 0.15 0.10

Neiva 0.30 0.25

Pasto 0.30 0.25

Quibdó 0.30 0.35

Riohacha 0.15 0.10

San José del Guaviare 0.10 0.05

Sincelejo 0.15 0.10

Villavicencio 0.30 0.35

Yopal 0.20 0.30

Zonas de Amenaza Sísmica

NSR-98 NSR-10

Zonas de Amenaza Sísmica

La zona de amenaza sísmica en la cual se

encuentra la estructura determina de la

capacidad de disipación de energía requerida

Efecto del suelo subyacente Definición de Perfiles de Suelo NSR-10

Efecto del suelo subyacente

Coeficientes Fa y Fv en NSR-10

Efecto del suelo subyacente Coeficientes por efecto del suelo según NSR-98 y NSR_10

NSR-98 NSR-10

Suelo Fa Fv

A 0.8 0.8

B 1.0 1.0

C 1.0 a 1.2 1.3 a 1.7

D 1.0 a 1.6 1.5 a 2.4

E 0.9 a 2.5 2.4 a 3.5 S =

1.3

Su

elo

S1

Su

elo

S3

Su

elo

S2

S =

1.2

S =

1.0

Espectros de Diseño

Espectro elástico de aceleraciones de Diseño – NSR-10


Espectro elástico de aceleraciones de Diseño – NSR-98

Fuerzas sísmicas

Vs = Sa.g.M

¿CUÁL ES LA ESTRATEGIA

DEL DISEÑO?

Requisitos generales

del diseño Sismo Resistente

Como principio general, se busca sacar provecho

de la gran ductilidad del acero.



Respuesta en el rango elástico



Respuesta en el rango inelástico



En general, se prefieren sistemas capaces de

soportar múltiples ciclos de carga, con una

respuesta controlada, antes que sistemas de

gran resistencia.


del diseño Sismo Resistente Esto permite diseñar las estructuras con base en unas

fuerzas sísmicas reducidas:

E = Fs/R

donde:

R = φa.φp.φr.Ro

es el coeficiente de capacidad de disipación de energía.

Ro, el coeficiente de capacidad de disipación de energía

básico, depende del sistema de resistencia a cargas

sísmicas, y los coeficientes φa, φp y φr corresponden a

condiciones que “castigan” dicha capacidad.



Esta estrategia de diseño plantea los siguientes pasos:

• Incluir en la estructura un sistema de resistencia a cargas

sísmicas bien definido

• Seleccionar un eslabón dúctil (“mecanismo”, “fusible”) en el

SRCS

• Dimensionar el eslabón dúctil para las fuerzas sísmicas

reducidas

• Detallar el eslabón dúctil de manera que sea capaz de resistir

varios ciclos de carga inelástica

• Dimensionar los restantes elementos del SRCS para que

trabajen en el rango elástico

• Detallar el resto de la estructura para que mantenga su

integridad bajo los desplazamientos laterales esperados

¿DE QUÉ DISPONEMOS PARA

LOGRAR NUESTRO OBJETIVO?

• Sistemas de Resistencia a Cargas Sísmicas

• Alternativas para el Análisis

• Uso de aisladores en la base

y disipadores de energía

SISTEMAS DE RESISTENCIA

A CARGAS SÍSMICAS

• PORTICOS RESISTENTES A MOMENTO (PRM)

• PORTICOS CON CERCHAS DÚCTILES (PCD)

• PORTICOS ARRIOSTRADOS CONCÉNTRICAMENTE (PAC)

• PORTICOS ARRIOSTRADOS EXCÉNTRICAMENTE (PAE)

• PORTICOS ARRIOSTRADOS DE PANDEO RESTRINGIDO (PAPR)

• MUROS DE CORTANTE DE ACERO (MCA-DES)

• SISTEMAS DE COLUMNAS EN VOLADIZO (SCV)

• SISTEMAS COMPUESTOS

PÓRTICOS RESISTENTES

A MOMENTO (PRM)

• Se caracterizan por su gran

ductilidad.

• El comportamiento inelástico

resulta de la formación de

articulaciones plásticas.

PÓRTICOS RESISTENTES

A MOMENTO (PRM)

Rótulas plásticas en las vigas (por flexión)

En las vigas

y en las bases de las columnas

En las vigas y en las bases y extremos

superiores de las columnas

PORTICOS RESISTENTES

A MOMENTO (PRM) Rótulas plásticas en las zonas de panel (por Cortante)

PORTICOS RESISTENTES

A MOMENTO (PRM)

Rótulas plástica en las columnas (por M y Paxial)

¡INESTABILIDAD!


A CARGAS SÍSMICAS









PORTICOS

CON CERCHAS DÚCTILES (PCD)

NSR-10

• En el tramo central de la viga (segmento especial)

se alcanzan deformaciones inelásticas significativas.

• Las columnas y los tramos de viga por fuera del SE

deben mantenerse en el rango elástico.


A CARGAS SÍSMICAS









PORTICOS ARRIOSTRADOS

CONCENTRICAMENTE (PAC)

Mecanismo de fluencia

Ventajas: - gran rigidez

Desventajas: - menos dúctiles que otros sistemas

- condiciones funcionales


CONCENTRICAMENTE (PAC)

Tipos de Diagonalado


A CARGAS SÍSMICAS










EXCENTRICAMENTE (PAE)

Mecanismo de Fluencia

La energía sísmica inducida se disipa a través de

la deformación inelástica del vínculo,

por efecto de los esfuerzos de cortante o de flexión.


EXCENTRICAMENTE (PAE)

Tipos de Diagonalado


A CARGAS SÍSMICAS










RIOSTRAS DE PANDEO RESTRINGIDO

(PAPR)

Con riostra en perfil tubular


RIOSTRAS DE PANDEO RESTRINGIDO

(PAPR)


A CARGAS SÍSMICAS









MUROS DE CORTANTE

DE ACERO(MCA)

MUROS DE CORTANTE

DE ACERO (MCA)

Pandeo por cortante

Desarrollo de

diagonales Flexion del portico


A CARGAS SÍSMICAS









SISTEMA DE COLUMNAS

EN VOLADIZO


A CARGAS SÍSMICAS









CONSTRUCCIÓN COMPUESTA

Sistemas constructivos

Conexión a cortante de viga de acero

a muro en concreto reforzado



Conexión a momento de viga de acero

a columna de concreto reforzado



Conexión parcialmente

restringida en construcción

compuesta



Conexión a momento de columna en perfil de acero

embebido en concreto a viga de acero



Conexión a momento de columna en tubo relleno de

concreto a viga de acero

ALTERNATIVAS

PARA EL ANÁLISIS

• MÉTODO DE LA FUERZA HORIZONTAL EQUIVALENTE

• MÉTODO DEL ANÁLISIS DINÁMICO ELÁSTICO : con requisitos

actualizados para tener en cuenta los avances tecnológicos en la

computación.

• MÉTODO DEL ANÁLISIS DINÁMICO INELÁSTICO

• MÉTODO DEL ANÁLISIS NO LINEAL ESTÁTICO DE PLASTIFICACIÓN

PROGRESIVA: nuevo en NSR-10, introduce los requisitos del análisis

“push-over”.

AISLADORES EN LA BASE

Y DISIPADORES DE ENERGÍA

En el Reglamento NSR-10 se permite el uso de aisladores

en la base (A.3.8) y disipadores de energía (A.3.9) y se

establecen las condiciones para uso, haciendo referencia

a los estándares internacionales aplicables y exigiendo

una supervisión técnica permanente.

FRENTES A CUIDAR

• Seis condiciones que se deben garantizar

• Consideraciones especiales para las conexiones

• Zonas protegidas

Condiciones

que se deben garantizar

• RUTA (continuidad)

• RIGIDEZ

• RESISTENCIA

• REGULARIDAD

• REDUNDANCIA

• MECANISMOS DE FLUENCIA

RUTA (Continuidad)

NSR-10 A.3.1.5:

“Las fuerzas deben transmitirse desde su

punto de aplicación hasta su punto final de

resistencia. Por lo tanto debe proveerse

una trayectoria o trayectorias continuas,

con suficiente resistencia y rigidez para

garantizar el adecuado traspaso de las

fuerzas.”

RUTA (Continuidad)

RIGIDEZ

RESISTENCIA

• El elemento dúctil (p. ej. una riostra) debe ser el más

débil sobre la trayectoria de carga. Para garantizar ésto

la resistencia requerida de la conexión debe calcularse a

partir de la “resistencia esperada” de la riostra.

Esfuerzo de fluencia esperado = RyFy

Resistencia a la rotura esperada = RtFu

RESISTENCIA

RESISTENCIA

• Según el sistema de resistencia sísmica

se requerirá que algunos miembros

cumplan requisitos de:

– ductilidad moderada, o

– ductilidad alta

En ambos casos se establecen requisitos

especiales de arriostramiento y límites b/t.

RESISTENCIA

• Valores límite más estrechos que los de F.2

para las relaciones b/t en los miembros.

Ejemplo:

RESISTENCIA

Requisitos especiales para las soldaduras:

• Soldaduras de demanda crítica

RESISTENCIA

• En NSR-10 se requiere que, según el

SRCS y el grado de disipación de energía,

los elementos frágiles o las conexiones

entre elementos se diseñen para unas

fuerzas sísmicas amplificadas por el

coeficiente de sobrerresistencia Ω0.

REGULARIDAD

ϕp = 0,8

ϕp = 0,9

ϕa = 0,8

ϕa = 0,9

REDUNDANCIA

El “coeficiente de ausencia de redundancia”

castiga el hecho de que la estructura no

tenga trayectorias alternas para las cargas

en caso de falla de un miembro.

MECANISMO DÚCTIL

Pórtico arriostrado excéntricamente

con riostra en perfil tubular

MECANISMO DÚCTIL

Conexión vínculo-columna, con refuerzo,

en pórticos arriostrados excéntricamente

Consideraciones especiales:

CONEXIONES

El comportamiento de las conexiones es

generalmente frágil, por lo cual deben tener mayor

resistencia que los miembros conectados.


CONEXIONES

• Todos los pernos del SRCS deben ser de alta

resistencia.

• Todos los pernos deben instalarse

completamente tensionados.

• Todas las superficies deben prepararse como

en juntas de deslizamiento crítico, clase A

Excepción:

– Placas de extremo

– Transferencia de cargas por tensión en los pernos o

por compresión en las placas, no por cortante.


CONEXIONES

Conexión de la riostra a la platina de conexión

para la condición de pandeo del arriostramiento por fuera del

plano

Pórtico arriostrado concéntricamente

Consideraciones Especiales:

ZONA PROTEGIDA

Zona protegida: sector del miembro donde se establecen

limitaciones para la ubicación de accesorios y la fabricación

Consideraciones Especiales:

ZONA PROTEGIDA

CONCLUSIONES

CONCLUSIONES

• El impacto económico de las normas sismorresistentes no puede

verse solamente como un mayor costo inicial, sino considerando el

riesgo de futuros daños o aún de un evento catastrófico y sus

implicaciones.

• El paso de algunas edificaciones del Grupo de uso II al Grupo III, y

el aumento de los coeficientes de importancia para estos dos

grupos, se traduce en mayores fuerzas de diseño y mayores costos.

CONCLUSIONES

• Para los valores usados en los espectros mostrados como ejemplo,

con Aa igual a 0.20 y 0.15 en NSR-98 y NSR-10 respectivamente, y

Av igual a 0.20, el efecto conjunto de estos valores, de la nueva

clasificación de los suelos, de las nuevas ecuaciones y de las

propiedades dinámicas de la estructura resulta generalmente en

mayores valores de las fuerzas sísmicas bajo NSR-10.

• Esta relación puede modificarse según haya cambiado el valor de

Aa, según la relación entre los valores de Av y Aa o cuando la nueva

clasificación del suelo pueda corresponder a uno u otro perfil.

• La experiencia adquirida a nivel mundial en los últimos años se ha

traducido generalmente en requisitos más estrictos de análisis y

detallado.

CONCLUSIONES

• La amplia gama de sistemas estructurales hoy considerados por las

normas permite considerar distintas opciones para disminuir el

impacto en los costos.

• El menú más amplio de materiales disponibles hoy permite hacer un

uso más eficiente de ellos y disminuir los costos.

• Las herramientas de análisis hoy disponibles y consideradas en las

normas permiten tomar decisiones sobre bases mucho más

confiables y optimizar los diseños.

• Se dispone de la posibilidad de recurrir a las técnicas más

modernas como son los aisladores en la base y los disipadores de

energía.

¡Muchas gracias!

MAURICIO J. CASTRO

Ingeniero Civil, Universidad del Cauca

M.Sc. Rensselaer Polytechnic Institute

Industrias Ceno S.A.

Escuela de Ingeniería de Antioquia

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