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.

CONTENIDO Diseño sismorresistente de estructuras de acero Introducción Métodos de análisis Criterios generales Sistemas estructurales Detallamiento sísmico

SISMICIDAD 1. 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 CARACTERISTICAS DE SISMOS

1. Introducción CARACTERISTICAS DE 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. EFECTOS DE SISMOS

Daños en conexiones 1. Introducción EFECTOS DE 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 EFECTOS DE 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 EFECTOS DE SISMOS

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

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

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

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

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

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

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

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

ANALISIS ESTATICO 2. Métodos de análisis Método de la fuerzas laterales equivalentes V b = C s ·  W i VbVb

ANALISIS DINAMICO 2. Métodos de análisis Análisis modal espectral

NIVELES DE RIESGO 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 DE DESEMPEÑO 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 DE DESEMPEÑO 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 DISEÑO 3. Criterios generales Sismo frecuente Sismo de diseño Sismo máximo considerado OperacionalOcupación inmediata Preservación de ocupantes Prevención de colapso I IIIII

DUCTILIDAD ESTRUCTURAL 3. Criterios generales Corte Basal V b el uu Desplazamiento yy V b dis  y (1-1/R)V b el Estructura dúctil Estructura frágil

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

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

TIPOS 4. Sistemas estructurales Marcos resistentes a momento Columnas Vigas

TIPOS 4. Sistemas estructurales Marcos arriostrados concéntricamente Arriostramiento

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

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

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

RECOMENDACIONES GENERALES 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.

RECOMENDACIONES GENERALES 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 RECOMENDACIONES GENERALES

5. Detallamiento sísmico Mecanismo de falla MARCOS A MOMENTO

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

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

5. Detallamiento sísmico Vigas: –Proveer arriostramiento lateral adecuado Longitud de arriostramiento máxima sísmica Resistencia de arriostramiento lateral Rigidez de arriostramiento lateral MARCOS A MOMENTO h0h0

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

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

5. Detallamiento sísmico Estructuración MARCOS ARRIOSTRADOS CONCENTRICAMENTE No Sí

5. Detallamiento sísmico Estructuración MARCOS ARRIOSTRADOS CONCENTRICAMENTE No Sí, condicionalmente KV invertidaV

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

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

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 ARRIOSTRADOS CONCENTRICAMENTE

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

5. Detallamiento sísmico Links: –Usar secciones sísmicamente compactas –Capacidad dada por resistencia al corte, considerando efecto de esfuerzo axial –Longitud restringida ( L link < L max ) MARCOS ARRIOSTRADOS EXCENTRICAMENTE

5. Detallamiento sísmico Links: –Diseño basado en deformación MARCOS ARRIOSTRADOS EXCENTRICAMENTE  diseño  L link  max (AISC)

5. Detallamiento sísmico Links: –Atiesadores en extremos –Arriostramiento lateral en extremos MARCOS ARRIOSTRADOS EXCENTRICAMENTE Atiesadores

5. Detallamiento sísmico Conexiones: –Capacidad de soportar corte y momento en extremos del “link”. –Capacidad de absorber rotaciones de los extremos del “link” MARCOS ARRIOSTRADOS EXCENTRICAMENTE

5. Detallamiento sísmico Deformación inelástica concentrada en las placas Vigas y columnas diseñadas por capacidad MUROS DE CORTE DE PLACAS DE ACERO Placas de 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 CORTE DE PLACAS DE ACERO

5. Detallamiento sísmico Viga de sección reducida ESTRATEGIAS AVANZADAS

5. Detallamiento sísmico Arriostramientos de pandeo restringido ESTRATEGIAS AVANZADAS