Diseo sismorresistente de estructuras de acero Ricardo Herrera

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.

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

1. Introducción SISMICIDAD 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

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

1. Introducción Daños en conexiones EFECTOS DE SISMOS

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

2. Métodos de análisis • Análisis modal espectral ANALISIS DINAMICO

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

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.

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.

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

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

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

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

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

4. Sistemas estructurales • Marcos arriostrados concéntricamente Arriostramiento TIPOS

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

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

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

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.

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.

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

5. Detallamiento sísmico • Mecanismo de falla MARCOS A MOMENTO

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

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

5. Detallamiento sísmico MARCOS A MOMENTO • Vigas: – Proveer arriostramiento lateral adecuado • Longitud de arriostramiento máxima sísmica • Resistencia de arriostramiento lateral h 0 • Rigidez de arriostramiento lateral

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

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

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

5. Detallamiento sísmico MARCOS ARRIOSTRADOS CONCENTRICAMENTE • Estructuración No Sí

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

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

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

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

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

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)

5. Detallamiento sísmico MARCOS ARRIOSTRADOS EXCENTRICAMENTE • Links: – Diseño basado en deformación qmax Ddiseño q 0. 08 (AISC) 0. 02 Llink

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

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

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

5. Detallamiento sísmico MUROS DE CORTE DE PLACAS DE ACERO • Placas: – Capacidad controlada por fluencia en corte – Razón altura/largo limitada • Vigas, columnas, conexiones vigacolumna: – Cumplir con requisitos de marcos a momento • Conexiones placa-columna/viga – Controladas por fluencia en tracción inclinada

5. Detallamiento sísmico • Viga de sección reducida ESTRATEGIAS AVANZADAS

5. Detallamiento sísmico ESTRATEGIAS AVANZADAS • Arriostramientos de pandeo restringido