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

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

3 SISMICIDAD 1. Introducción Actividad Sísmica Mundial

4 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

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

8 Daños en conexiones 1. Introducción EFECTOS DE SISMOS

9 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

10 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

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

12 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

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

14 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

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

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

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

18 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

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

20 ANALISIS DINAMICO 2. Métodos de análisis Análisis modal espectral

21 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

22 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.

23 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.

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

25 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

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

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

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

29 TIPOS 4. Sistemas estructurales Marcos arriostrados concéntricamente Arriostramiento

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

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

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

33 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.

34 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.

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

36 5. Detallamiento sísmico Mecanismo de falla MARCOS A MOMENTO

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

38 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

39 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

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

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

42 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

43 5. Detallamiento sísmico Estructuración MARCOS ARRIOSTRADOS CONCENTRICAMENTE No Sí

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

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

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

47 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

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

49 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

50 5. Detallamiento sísmico Links: –Diseño basado en deformación MARCOS ARRIOSTRADOS EXCENTRICAMENTE  diseño  L link  max 0.08 0.02 (AISC)

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

52 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

53 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

54 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

55 5. Detallamiento sísmico Viga de sección reducida ESTRATEGIAS AVANZADAS

56 5. Detallamiento sísmico Arriostramientos de pandeo restringido ESTRATEGIAS AVANZADAS