IMPLICACIONES ECONÓMICAS DEL REGLAMENTO NSR-10 EN EL DISEÑO SÍSMICO DE EDIFICACIONES DE ACERO.

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 FILOSOFÍADE 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 objetivoUna 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 razonablesEn 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 UsoGrupo Descripción

IV Edificaciones IndispensablesDeben 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 UsoGrupo 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 Resistenciavs. Diseño por Esfuerzos Admisibles

Diseño por Factores de Carga y de Resistenciavs. Diseño por Esfuerzos AdmisiblesDistribución de frecuencias para los efectos de las cargas (Q) y la Resistencia (R)

Diseño por Factores de Carga y de Resistenciavs. Diseño por Esfuerzos AdmisiblesDistribución 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. ΣγQVariaciones en procedimientos de montaje.

Cambio de uso.

Simplificaciones del análisis.

Dimensiones de construcción.

Magnitud de las cargas.

EFECTO DE LAS CARGAS NOMINALES ∑Qi

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 ESTRUCTURALDISEÑO 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 miembrosβ = 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 cargaNSR-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 CARGASNOS 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 sísmicosy 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?

Movimientos sísmicosy espectros de diseño

MOVIMIENTOS DEL TERRENO

Periodo Natural T (s)

A te =

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)

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 diseñoMapas de valores de Aa y Av en NSR-10

Movimientos sísmicos y espectro de diseño

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.

Movimientos sísmicos y espectro de diseño

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.

Movimientos sísmicos y espectro de diseñoMapas 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-98NSR-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 subyacenteDefinición de Perfiles de Suelo NSR-10

Efecto del suelo subyacenteCoeficientes Fa y Fv en NSR-10

Efecto del suelo subyacenteCoeficientes 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 3.5S =

Espectros de DiseñoEspectro elástico de aceleraciones de Diseño – NSR-10

Espectros de Diseño

Espectros de DiseñoEspectro elástico de aceleraciones de Diseño – NSR-98

Espectros de Diseño

Fuerzas sísmicas

Vs = Sa.g.M

¿CUÁL ES LA ESTRATEGIA DEL DISEÑO?

Requisitos generalesdel diseño Sismo ResistenteComo principio general, se busca sacar provecho

de la gran ductilidad del acero.

Requisitos generalesdel diseño Sismo Resistente

Respuesta en el rango elástico

Requisitos generalesdel diseño Sismo Resistente

Respuesta en el rango inelástico

Requisitos generalesdel diseño Sismo ResistenteEn general, se prefieren sistemas capaces de

soportar múltiples ciclos de carga, con una respuesta controlada, antes que sistemas de gran resistencia.

Requisitos generalesdel diseño Sismo ResistenteEsto 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.

Requisitos generalesdel diseño Sismo ResistenteEsta 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 RESISTENCIAA 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 RESISTENTESA 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 RESISTENTESA MOMENTO (PRM)Rótulas plásticas en las zonas de panel (por Cortante)

PORTICOS RESISTENTESA MOMENTO (PRM)Rótulas plástica en las columnas (por M y Paxial)

¡INESTABILIDAD!

PORTICOSCON 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.

PORTICOS ARRIOSTRADOS CONCENTRICAMENTE (PAC)Mecanismo de fluencia

Ventajas: - gran rigidezDesventajas: - menos dúctiles que otros sistemas

- condiciones funcionales

PORTICOS ARRIOSTRADOS CONCENTRICAMENTE (PAC)Tipos de Diagonalado

PORTICOS ARRIOSTRADOS EXCENTRICAMENTE (PAE)Mecanismo de Fluencia

La energía sísmica inducida se disipa a través dela deformación inelástica del vínculo, por efecto de los esfuerzos de cortante o de flexión.

PORTICOS ARRIOSTRADOS EXCENTRICAMENTE (PAE)Tipos de Diagonalado

PORTICOS ARRIOSTRADOSRIOSTRAS DE PANDEO RESTRINGIDO (PAPR)

Con riostra en perfil tubular

PORTICOS ARRIOSTRADOSRIOSTRAS DE PANDEO RESTRINGIDO (PAPR)

MUROS DE CORTANTEDE ACERO(MCA)

MUROS DE CORTANTEDE ACERO (MCA)

Pandeo por cortante

Desarrollo de diagonales

Flexion del portico

SISTEMA DE COLUMNASEN VOLADIZO

CONSTRUCCIÓN COMPUESTASistemas 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

ALTERNATIVASPARA 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 BASEY 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

Condicionesque 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

• 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 = 0,8ϕp = 0,9

ϕa = 0,8ϕa = 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.

Consideraciones especiales: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 AExcepción:– Placas de extremo– Transferencia de cargas por tensión en los pernos o

por compresión en las placas, no por cortante.

Consideraciones especiales:CONEXIONES

Conexión de la riostra a la platina de conexiónpara la condición de pandeo del arriostramiento por fuera del

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

• 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

IMPLICACIONES ECONÓMICAS DEL REGLAMENTO NSR-10 EN EL DISEÑO SÍSMICO DE EDIFICACIONES DE ACERO.

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