Diseño sismorresistente de estructuras de acero

Ricardo Herrera MardonesDepartamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile

Santiago, ChileMarzo de 2007

Introducción adaptada de material preparado por el Ing. Héctor Soto Rodríguez, Centro Regional de Desarrollo en Ingeniería Civil, Morelia, Mich. México.

CONTENIDODiseño sismorresistente deestructuras de acero

• Introducción

• Métodos de análisis

• Criterios generales

• Sistemas estructurales

• Detallamiento sísmico

SISMICIDAD1. Introducción

Actividad Sísmica Mundial

1. Introducción

• Ciudad de México, 1985• Valparaíso, Chile, 1985 • San Salvador, El Salvador, 1986• Loma Prieta, California, 1989• Northridge, California, 1994• Kobe, Japón, 1995• Manzanillo, Colombia, 1995 • Armenia, Colombia, 1999• Puebla, México, 1999• Estambul, Turquía• Chi-chi, Taiwán, 1999• Colima, México, 2003 • Cobquecura, Chile, 2010• Christchurch, Nueva Zelanda, 2011• Fukushima, Japón, 2011

SISMICIDAD

1. Introducción CARACTERISTICASDE SISMOS

1. Introducción CARACTERISTICASDE SISMOS

Respuesta de diferentes elementos y contenido de una edificación frente a un sismo

Estructura de acero típica resistente a momento

1. Introducción

Conexión típica viga-columna a momento pre-Northridge.

EFECTOSDE SISMOS

Daños en conexiones

1. Introducción EFECTOSDE SISMOS

1. Introducción

Factores que influyeron:

• Ejecución incorrecta de soldaduras

• Grietas preexistentes en soldaduras o metal base

• Tensiones residuales en las uniones generadas durante construcción

• Falla del ala de la columna ocasionada por tracciones en la dirección del espesor

EFECTOSDE SISMOS

1. Introducción

Factores que influyeron:

• Aumento de tracción en ala inferior de la viga debido a presencia de la losa de hormigón

• Estados triaxiales de tensión

• Concentración en pocos lugares de uniones rígidas para resistir sismo

EFECTOSDE SISMOS

1. Introducción EFECTOSDE SISMOS

Respuesta experimental de conexión viga-columna pre-Northridge

Sistema estructural típico para edificios de acero en KobeColumnas en cajón HSS y vigas tipo I o H, ambas laminadas

EFECTOSDE SISMOS

1. Introducción

Tipos de conexiones trabe-columna usuales en Japón.Conexiones tipo “árbol o de brazo”

EFECTOSDE SISMOS

1. Introducción

Tipos de conexiones para columnas de aceroSistema placa-base

a) Conexión placa basesobre concreto reforzado

b) Placa base y tramo de columna embebidos en hormigón

EFECTOSDE SISMOS

1. Introducción

EFECTOSDE SISMOS

1. Introducción

Daños sismo de Kobe, Japón 1995

EFECTOSDE SISMOS

1. Introducción

Daños sismo de Kobe, Japón 1995

TRABE

Pandeo en contraventeos en forma de XEdificio típico de acero

EFECTOSDE SISMOS

1. Introducción

CLASIFICACION2. Métodos de análisis

• Análisis estático– Método de la fuerzas laterales equivalentes

• Análisis dinámico– Análisis modal (elástico)

• En el tiempo• Espectral

– Análisis dinámico inelástico

ANALISIS ESTATICO2. Métodos de análisis

• Método de la fuerzas laterales equivalentes

Vb = Cs · ΣWi

Vb

∑=

= n

j

kjj

iibi

hW

hWVF

1

ANALISIS DINAMICO2. Métodos de análisis

• Análisis modal espectral

NIVELES DERIESGO SISMICO

3. Conceptos generales

• Sismos frecuentes: 50% probabilidad excedencia en 50 años.

• Sismos de diseño: ~10% probabilidad excedencia en 50 años.

• Sismos máximos considerados: 2% probabilidad de excedencia en 50 años

NIVELES DEDESEMPEÑO SISMICO

3. Conceptos generales

• Operacional: no hay daños de importancia, la estructura puede seguir cumpliendo sus funciones inmediatamente.

• Ocupación inmediata: similar al nivel operacional, pero con posibles daños en elementos no estructurales. Requiere reparaciones mínimas.

NIVELES DEDESEMPEÑO SISMICO

3. Conceptos generales

• Preservación de ocupantes: daños de consideración en elementos estructurales y no estructurales. No hay riesgo para ocupantes. Reparación puede ser inviable económicamente.

• Prevención de colapso: daños significativos en elementos estructurales y no estructurales. Riesgo para sus ocupantes. No reparable.

OBJETIVOS DE DISEÑO3. Criterios generales

Sismo frecuente

Sismo de diseño

Sismo máximo considerado

Operacional Ocupacióninmediata

Preservaciónde ocupantes

Prevenciónde colapso

IIIIII

DUCTILIDADESTRUCTURAL

3. Criterios generalesC

orte

Bas

al

Vbel

δu

Desplazamiento

δy

Vbdis

(µ−1)δy

(1-1/R)Vbel

y

u

δδµ =

R

VV

elbdis

b =

Estructuradúctil

Estructurafrágil

DUCTILIDADESTRUCTURAL

3. Criterios generales

Depende de

• Sistema estructural

• Materiales de construcción

• Nivel de detallamiento

CLASIFICACION4. Sistemas estructurales

• Marcos resistentes a momento

• Marcos arriostrados concéntricamente

• Marcos arriostrados excéntricamente

• Muros de corte de placas de acero

TIPOS4. Sistemas estructurales

• Marcos resistentes a momento

Columnas

Vigas

TIPOS4. Sistemas estructurales

• Marcos arriostrados concéntricamente

Arriostramiento

TIPOS4. Sistemas estructurales

• Marcos arriostrados excéntricamente

Arriostramiento

“Link”

4. Sistemas estructurales

• Muros de corte de placas de acero

Placasde acero

TIPOS

RECOMENDACIONESGENERALES

5. Detallamiento sísmico

• Material base:– Usar aceros con ductilidad y resiliencia

significativa.

– Usar aceros con buena resistencia a fractura.

RECOMENDACIONESGENERALES

5. Detallamiento sísmico

• Elementos estructurales:– Evitar pandeo local.

• Relaciones ancho/espesor• Niveles de esfuerzo axial

– Evitar pandeo global por flexión, torsión o flexo-torsión.

• Longitudes de arriostramiento• Rigidez y resistencia de arriostramientos

– Evitar fallas por cargas concentradas– Diseñar por capacidad elementos que no

deben fallar.

RECOMENDACIONESGENERALES

5. Detallamiento sísmico

• Conexiones:– Diseñar para lograr falla dúctil de la conexión

o del elemento.– Evitar concentración de tensiones.– Evitar estados triaxiales de tensiones– Evitar delaminación.– Usar electrodos con buena resistencia a

fractura.

5. Detallamiento sísmico

• Sistema estructural:– Proveer redundancia.

– Evitar falla por inestabilidad (P-∆).

– Seguir recomendaciones para buena estructuración

RECOMENDACIONESGENERALES

5. Detallamiento sísmico

• Mecanismo de falla

MARCOS A MOMENTO

5. Detallamiento sísmico

• Columna fuerte-viga débil

MARCOS A MOMENTO

( )AISCMM

MM

M

M

pbrpbl

pcbpct

pb

pc 1*

*

>++

=∑∑

5. Detallamiento sísmico

• Vigas:– Usar secciones sísmicamente compactas

– Evitar cambios bruscos de sección

– Proteger zonas de rotulación plástica• No conectores de corte

• No elementos soldados• No perforaciones

MARCOS A MOMENTO

pstb λ≤

5. Detallamiento sísmico

• Vigas:– Proveer arriostramiento lateral adecuado

• Longitud de arriostramiento máxima sísmica

• Resistencia de arriostramiento lateral

• Rigidez de arriostramiento lateral

MARCOS A MOMENTO

( )AISCFErLL yypsb 086.0=≤

( )LRFDAISChMP uu −= 006.0 h0

( ) ( )LRFDAISChL

M

b

ubr −

=

=0

10

75.0

1

φβ

5. Detallamiento sísmico

• Columnas:– Usar secciones sísmicamente compactas

– Proveer arriostramiento lateral adecuado• Resistencia de arriostramiento lateral

• Rigidez de arriostramiento lateral

MARCOS A MOMENTO

pstb λ≤

( )LRFDAISCtbFP ffybralau −= 02.0

( ) ( )LRFDAISCL

P

b

ubr −

=

= 8

75.0

1

φβ

5. Detallamiento sísmico

• Columnas:– Diseñar bases de columna por capacidad– Empalmes con capacidad ≥ columnas que

unen– Zonas de panel adecuadamente reforzadas

MARCOS A MOMENTO

5. Detallamiento sísmico

• Conexiones:– Resistir grandes desplazamientos entre pisos– Capacidad a flexión mayor que la viga

– Capacidad al corte mayor que corte en viga biarticulada plásticamente

MARCOS A MOMENTO

( )2

2

hcon

esperadopbcon

h

esperadopb

con

LbLVMM

L

MV

−−+=

=

5. Detallamiento sísmico

• Estructuración

MARCOS ARRIOSTRADOSCONCENTRICAMENTE

No Sí

5. Detallamiento sísmico

• Estructuración

MARCOS ARRIOSTRADOSCONCENTRICAMENTE

No Sí, condicionalmente

K V invertida V

5. Detallamiento sísmico

• Arriostramientos:– Limitar esbeltez global

– Usar secciones sísmicamente compactas

MARCOS ARRIOSTRADOSCONCENTRICAMENTE

( )AISCFErKL y4≤

pstb λ≤

5. Detallamiento sísmico

• Vigas:– Diseñar para fuerza desbalanceada cuando

ocurre pandeo

MARCOS ARRIOSTRADOSCONCENTRICAMENTE

5. Detallamiento sísmico

• Conexiones:– Capacidad en tracción mayor que capacidad

esperada en fluencia del arriostramiento

– Resistir flexión o deformación asociada al pandeo del arriostramiento

– Capacidad en compresión mayor que capacidad esperada del arriostramiento

MARCOS ARRIOSTRADOSCONCENTRICAMENTE

5. Detallamiento sísmico

• Deformación inelástica concentrada en los “links”

• Vigas, columnas y arriostramientos diseñados por capacidad

MARCOS ARRIOSTRADOSEXCENTRICAMENTE

5. Detallamiento sísmico

• Links:– Usar secciones sísmicamente compactas

– Capacidad dada por resistencia al corte, considerando efecto de esfuerzo axial

– Longitud restringida (Llink < Lmax)

MARCOS ARRIOSTRADOSEXCENTRICAMENTE

pstb λ≤

5. Detallamiento sísmico

• Links:– Diseño basado en deformación

MARCOS ARRIOSTRADOSEXCENTRICAMENTE

∆diseño θ

Llink

θmax

0.08

0.02

wy

y

AF

ZF

6.06.1

wy

y

AF

ZF

6.06.2

(AISC)

5. Detallamiento sísmico

• Links:– Atiesadores en extremos

– Arriostramiento lateral en extremos

MARCOS ARRIOSTRADOSEXCENTRICAMENTE

Atiesadores

( )LRFDAISChMP esperadouu −= 006.0

5. Detallamiento sísmico

• Conexiones:– Capacidad de soportar corte y momento en

extremos del “link”.

– Capacidad de absorber rotaciones de los extremos del “link”

MARCOS ARRIOSTRADOSEXCENTRICAMENTE

5. Detallamiento sísmico

• Deformación inelástica concentrada en las placas

• Vigas y columnas diseñadas por capacidad

MUROS DE CORTEDE PLACAS DE ACERO

Placasde acero

5. Detallamiento sísmico

• Placas:– Capacidad controlada por fluencia en corte– Razón altura/largo limitada

• Vigas, columnas, conexiones viga-columna:– Cumplir con requisitos de marcos a momento

• Conexiones placa-columna/viga– Controladas por fluencia en tracción inclinada

MUROS DE CORTEDE PLACAS DE ACERO

5. Detallamiento sísmico

• Viga de sección reducida

ESTRATEGIASAVANZADAS

5. Detallamiento sísmico

• Arriostramientos de pandeo restringido

ESTRATEGIASAVANZADAS

t b