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Diseño sismorresistente de estructuras de acero

Diseño sismorresistente de estructuras de acero. Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Marzo de 2007.

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Diseño sismorresistente de estructuras de acero

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Presentation Transcript

  1. Diseño sismorresistente de estructuras de acero Ricardo Herrera Mardones Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile Santiago, Chile Marzo de 2007 Introducción adaptada de material preparado por el Ing. Héctor Soto Rodríguez, Centro Regional de Desarrollo en Ingeniería Civil, Morelia, Mich. México.

  2. Diseño sismorresistente deestructuras de acero CONTENIDO • Introducción • Métodos de análisis • Criterios generales • Sistemas estructurales • Detallamiento sísmico

  3. 1. Introducción SISMICIDAD Actividad Sísmica Mundial

  4. 1. Introducción SISMICIDAD • 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

  5. 1. Introducción CARACTERISTICAS DE SISMOS

  6. 1. Introducción CARACTERISTICAS DE SISMOS Respuesta de diferentes elementos y contenido de una edificación frente a un sismo

  7. 1. Introducción EFECTOS DE SISMOS Conexión típica viga-columna a momento pre-Northridge. Estructura de acero típica resistente a momento

  8. 1. Introducción EFECTOS DE SISMOS Daños en conexiones

  9. 1. Introducción EFECTOS DE SISMOS 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

  10. 1. Introducción EFECTOS DE SISMOS 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

  11. 1. Introducción EFECTOS DE SISMOS Respuesta experimental de conexión viga-columna pre-Northridge

  12. 1. Introducción EFECTOS DE SISMOS Sistema estructural típico para edificios de acero en Kobe Columnas en cajón HSS y vigas tipo I o H, ambas laminadas

  13. 1. Introducción EFECTOS DE SISMOS Tipos de conexiones trabe-columna usuales en Japón. Conexiones tipo “árbol o de brazo”

  14. 1. Introducción EFECTOS DE SISMOS a) Conexión placa base sobre concreto reforzado b) Placa base y tramo de columna embebidos en hormigón Tipos de conexiones para columnas de acero Sistema placa-base

  15. 1. Introducción EFECTOS DE SISMOS Daños sismo de Kobe, Japón 1995

  16. 1. Introducción EFECTOS DE SISMOS TRABE Daños sismo de Kobe, Japón 1995

  17. 1. Introducción EFECTOS DE SISMOS Pandeo en contraventeos en forma de X Edificio típico de acero

  18. 2. Métodos de análisis CLASIFICACION • Análisis estático • Método de la fuerzas laterales equivalentes • Análisis dinámico • Análisis modal (elástico) • En el tiempo • Espectral • Análisis dinámico inelástico

  19. 2. Métodos de análisis ANALISIS ESTATICO • Método de la fuerzas laterales equivalentes Vb = Cs · SWi Vb

  20. 2. Métodos de análisis ANALISIS DINAMICO • Análisis modal espectral

  21. 3. Conceptos generales NIVELES DE RIESGO SISMICO • 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

  22. 3. Conceptos generales NIVELES DE DESEMPEÑO SISMICO • 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.

  23. 3. Conceptos generales NIVELES DE DESEMPEÑO SISMICO • 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.

  24. 3. Criterios generales OBJETIVOS DE DISEÑO Operacional Ocupación inmediata Preservación de ocupantes Prevención de colapso Sismo frecuente Sismo de diseño Sismo máximo considerado I III II

  25. 3. Criterios generales DUCTILIDAD ESTRUCTURAL Vbel Estructura frágil (1-1/R)Vbel Corte Basal Estructura dúctil Vbdis (m-1)dy dy du Desplazamiento

  26. 3. Criterios generales DUCTILIDAD ESTRUCTURAL Depende de • Sistema estructural • Materiales de construcción • Nivel de detallamiento

  27. 4. Sistemas estructurales CLASIFICACION • Marcos resistentes a momento • Marcos arriostrados concéntricamente • Marcos arriostrados excéntricamente • Muros de corte de placas de acero

  28. 4. Sistemas estructurales TIPOS • Marcos resistentes a momento Vigas Columnas

  29. 4. Sistemas estructurales TIPOS • Marcos arriostrados concéntricamente Arriostramiento

  30. 4. Sistemas estructurales TIPOS • Marcos arriostrados excéntricamente “Link” Arriostramiento

  31. 4. Sistemas estructurales TIPOS • Muros de corte de placas de acero Placas de acero

  32. 5. Detallamiento sísmico RECOMENDACIONES GENERALES • Material base: • Usar aceros con ductilidad y resiliencia significativa. • Usar aceros con buena resistencia a fractura.

  33. 5. Detallamiento sísmico RECOMENDACIONES GENERALES • 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.

  34. 5. Detallamiento sísmico RECOMENDACIONES GENERALES • 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.

  35. 5. Detallamiento sísmico RECOMENDACIONES GENERALES • Sistema estructural: • Proveer redundancia. • Evitar falla por inestabilidad (P-D). • Seguir recomendaciones para buena estructuración

  36. 5. Detallamiento sísmico MARCOS A MOMENTO • Mecanismo de falla

  37. 5. Detallamiento sísmico MARCOS A MOMENTO • Columna fuerte-viga débil

  38. 5. Detallamiento sísmico MARCOS A MOMENTO • Vigas: • Usar secciones sísmicamente compactas • Evitar cambios bruscos de sección • Proteger zonas de rotulación plástica • No conectores de corte • No elementos soldados • No perforaciones

  39. 5. Detallamiento sísmico h0 MARCOS A MOMENTO • Vigas: • Proveer arriostramiento lateral adecuado • Longitud de arriostramiento máxima sísmica • Resistencia de arriostramiento lateral • Rigidez de arriostramiento lateral

  40. 5. Detallamiento sísmico MARCOS A MOMENTO • Columnas: • Usar secciones sísmicamente compactas • Proveer arriostramiento lateral adecuado • Resistencia de arriostramiento lateral • Rigidez de arriostramiento lateral

  41. 5. Detallamiento sísmico MARCOS A MOMENTO • Columnas: • Diseñar bases de columna por capacidad • Empalmes con capacidad ≥ columnas que unen • Zonas de panel adecuadamente reforzadas

  42. 5. Detallamiento sísmico MARCOS A MOMENTO • Conexiones: • Resistir grandes desplazamientos entre pisos • Capacidad a flexión mayor que la viga • Capacidad al corte mayor que corte en viga biarticulada plásticamente

  43. 5. Detallamiento sísmico MARCOS ARRIOSTRADOS CONCENTRICAMENTE • Estructuración Sí No

  44. 5. Detallamiento sísmico MARCOS ARRIOSTRADOS CONCENTRICAMENTE • Estructuración K V invertida V Sí, condicionalmente No

  45. 5. Detallamiento sísmico MARCOS ARRIOSTRADOS CONCENTRICAMENTE • Arriostramientos: • Limitar esbeltez global • Usar secciones sísmicamente compactas

  46. 5. Detallamiento sísmico MARCOS ARRIOSTRADOS CONCENTRICAMENTE • Vigas: • Diseñar para fuerza desbalanceada cuando ocurre pandeo

  47. 5. Detallamiento sísmico MARCOS ARRIOSTRADOS CONCENTRICAMENTE • 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

  48. 5. Detallamiento sísmico MARCOS ARRIOSTRADOS EXCENTRICAMENTE • Deformación inelástica concentrada en los “links” • Vigas, columnas y arriostramientos diseñados por capacidad

  49. 5. Detallamiento sísmico MARCOS ARRIOSTRADOS EXCENTRICAMENTE • Links: • Usar secciones sísmicamente compactas • Capacidad dada por resistencia al corte, considerando efecto de esfuerzo axial • Longitud restringida (Llink < Lmax)

  50. 5. Detallamiento sísmico MARCOS ARRIOSTRADOS EXCENTRICAMENTE • Links: • Diseño basado en deformación qmax Ddiseño 0.08 q (AISC) 0.02 Llink

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