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Diseño sismorresistente de estructuras de acero
- 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 de CONTENIDO estructuras de acero • Introducción • Métodos de análisis • Criterios generales • Sistemas estructurales • Detallamiento sísmico
- 3. 1. Introducción SISMICIDAD 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. 1. Introducción Estructura de acero típica resistente a momento Conexión típica viga-columna a momento pre-Northridge. EFECTOS DE SISMOS
- 8. 1. Introducción EFECTOS Daños en conexiones DE SISMOS
- 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. EFECTOS DE SISMOS 1. Introducción Sistema estructural típico para edificios de acero en Kobe Columnas en cajón HSS y vigas tipo I o H, ambas laminadas
- 13. EFECTOS DE SISMOS 1. Introducción Tipos de conexiones trabe-columna usuales en Japón. Conexiones tipo “árbol o de brazo”
- 14. 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
- 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. EFECTOS DE SISMOS 1. Introducción 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 F V Wh = n å= j k i i j j i b W h 1
- 20. 2. Métodos de análisis ANALISIS DINAMICO • 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. 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 Sismo frecuente Sismo de diseño Sismo máximo considerado Operacional Ocupación inmediata Preservación de ocupantes Prevención de colapso III II I
- 25. DUCTILIDAD ESTRUCTURAL 3. Criterios generales Corte Basal Vb el du dy Estructura frágil Desplazamiento Vb dis (m-1)dy (1-1/R)Vb el V V R m = d u d y el dis b b = Estructura dúctil
- 26. DUCTILIDAD ESTRUCTURAL 3. Criterios generales 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 Arriostramiento “Link”
- 31. 4. Sistemas estructurales • Muros de corte de placas de acero Placas de acero TIPOS
- 32. GENERALES 5. Detallamiento sísmico • Material base: RECOMENDACIONES – Usar aceros con ductilidad y resiliencia significativa. – Usar aceros con buena resistencia a fractura.
- 33. GENERALES 5. Detallamiento sísmico • Elementos estructurales: RECOMENDACIONES – 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. GENERALES 5. Detallamiento sísmico • Conexiones: RECOMENDACIONES – 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. RECOMENDACIONES – Evitar falla por inestabilidad (P-D). GENERALES – Seguir recomendaciones para buena estructuración
- 36. 5. Detallamiento sísmico • Mecanismo de falla MARCOS A MOMENTO
- 37. 5. Detallamiento sísmico • Columna fuerte-viga débil MARCOS A MOMENTO ( AISC) M M * + pc pct pcb 1 * M M M M pbl pbr pb > + å = å
- 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 b t £l ps
- 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 L L r E F ( AISC) b ps y y £ = 0.086 P M h ( AISC LRFD) u u = - 0 0.06 h0 M b æ 1 ( ) ( AISC LRFD) u br L h ÷ø - ÷ ö ç çè = = 0 10 0.75 f b
- 40. 5. Detallamiento sísmico • Columnas: – Usar secciones sísmicamente compactas – Proveer arriostramiento lateral adecuado • Resistencia de arriostramiento lateral • Rigidez de arriostramiento lateral MARCOS A MOMENTO b t £l ps P br = 0.02 F b t ( AISC - LRFD) u ala y f f P b æ = 1 8 ( ) ( AISC LRFD) u br L ÷ø - ÷ ö ç çè = 0.75 f b
- 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 • 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 ( ) 2 2 h con esperado pb L esperado M = con pb h V con M = M + V L - b - L
- 43. 5. Detallamiento sísmico • Estructuración MARCOS ARRIOSTRADOS CONCENTRICAMENTE No Sí
- 44. 5. Detallamiento sísmico • Estructuración MARCOS ARRIOSTRADOS CONCENTRICAMENTE K V invertida V No Sí, condicionalmente
- 45. 5. Detallamiento sísmico • Arriostramientos: – Limitar esbeltez global MARCOS ARRIOSTRADOS CONCENTRICAMENTE KL r E F ( AISC) y £ 4 – Usar secciones sísmicamente compactas ps b t £l
- 46. 5. Detallamiento sísmico • Vigas: – Diseñar para fuerza desbalanceada cuando ocurre pandeo MARCOS ARRIOSTRADOS CONCENTRICAMENTE
- 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 • Links: – Usar secciones sísmicamente compactas – Capacidad dada por resistencia al corte, considerando efecto de esfuerzo axial – Longitud restringida (Llink < Lmax) EXCENTRICAMENTE b t £l ps
- 50. 5. Detallamiento sísmico MARCOS ARRIOSTRADOS EXCENTRICAMENTE • Links: – Diseño basado en deformación Ddiseño q Llink qmax 0.08 0.02 F Z 0.6 y F A y w 1.6 (AISC) F Z 0.6 y F A y w 2.6
- 51. 5. Detallamiento sísmico • Links: – Atiesadores en extremos MARCOS ARRIOSTRADOS EXCENTRICAMENTE Atiesadores – Arriostramiento lateral en extremos P M esperado h ( AISC LRFD) u u = - 0 0.06
- 52. 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”
- 53. 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
- 54. 5. Detallamiento sísmico MUROS DE CORTE DE PLACAS DE ACERO • 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
- 55. 5. Detallamiento sísmico • Viga de sección reducida ESTRATEGIAS AVANZADAS
- 56. 5. Detallamiento sísmico ESTRATEGIAS AVANZADAS • Arriostramientos de pandeo restringido t b
Notas del editor
- Diseño sismorresistente de estructuras de acero.
- En este capítulo se presentan los conceptos principales del diseño sismorresistente de estructuras de acero. El capítulo comienza con una introducción a las características de los sismos, sus efectos en estructuras de acero y la importancia de estos efectos. A continuación se describen los diferentes métodos de análisis actualmente en uso para estimar los efectos de sismos en una estructura y los criterios generales por los que se rigen gran parte de los códigos de diseño sismorresistente hoy en día. Se presentan luego los tipos de sistemas estructurales utilizados para resistir los efectos de los sismos para, finalmente, describir las recomendaciones principales en el diseño de los elementos estructurales individuales.
- Los sismos son impredecibles y recurrentes y pueden afectar significativamente la infraestructura de las ciudades afectadas, haciendo retroceder su desarrollo económico en varios años y obligando a gastar recursos en la reconstrucción. Debido al crecimiento poblacional mundial y al desarrollo económico, la posibilidad de que un sismo afecte zonas con una población significativa se ha incrementado. Las pérdidas económicas y de vidas humanas causadas por los sismos en el mundo en los últimos 30 años, han sido cuantiosas y sin precedentes. El 30% de las grandes ciudades del mundo (Los Ángeles y San Francisco, California; Tokio, Japón; Tang Shan, China; Santiago, Chile; Estambul, Turquía; Auckland, Nueva Zelanda; ciudad de México, México) se encuentran ubicadas en zonas de alta sismicidad. Los graves daños ocasionados por los últimos sismos en Estambul, Atenas y Taiwan se debieron fundamentalmente a que los epicentros se localizaron muy próximos a zonas densamente pobladas. Del mapa de la actividad sísmica mundial se puede ver que gran parte de América Latina se encuentran en zonas de alta sismicidad, lo que indica la importancia de un adecuado diseño sismorresistente en la región.
- Esta es una lista no exhaustiva de los sismos más destructivos de los últimos años. Se puede ver que más de la mitad han ocurrido en países de América Latina.
- La forma, amplitud y duración del movimiento sísmico dependen entre otras cosas, del tamaño (magnitud) del sismo, la distancia hipocentral (es decir la distancia a la fuente), el mecanismo de falla que originó el sismo y las características del suelo.
- En general, el movimiento sísmico se presenta en todas direcciones, con movimientos horizontales, verticales y rotaciones. La figura muestra esquemáticamente algunos de los efectos de sismos en elementos estructurales y no estructurales.
- Para ilustrar los efectos de sismos en estructuras de acero vamos a considerar dos sismos cuyas consecuencias motivaron cambios en la filosofía de diseño de este tipo de estructuras: el sismo de Northridge en California el año 1994 y el sismo de Kobe en Japón en 1995. La figura muestra un edificio de marcos de momento típico y el detalle de conexión viga-columna más común previo al terremoto de Northridge. Las alas de la viga se encargan de transmitir el momento a la columna a través de soldaduras de penetración completa, mientras el corte se transfiere a través de una placa de corte desde el alma de la viga a la columna. Para la correcta ejecución de la soldadura se perforaba un agujero de acceso en el alma de la viga, para poder pasar el electrodo de lado a lado del ala, y se utilizaba una placa de respaldo para asegurar la penetración completa de la soldadura, la que no siempre era retirada al terminar de soldar.
- El terremoto de Northridge fue un sismo de intensidad moderada, después del cual no se registraron mayores problemas estructurales. Sin embargo, a poco andar fueron descubiertas fracturas en el ala inferior de vigas. Fracturas típicas en las conexiones viga-columna como consecuencia del sismo de Northridge incluían fracturas de la soldadura, fractura iniciadas en el borde de la soldadura que se propagaban al ala de la columna en la dirección de laminación, fracturas similares a las anteriores que luego se devolvían a la cara exterior del ala de la columna y fracturas que atravesaban completamente el ala y se propagaban en el alma de la columna. Este tipo de fallas fue completamente inesperado.
- Aun no se llega a un acuerdo en las causas de las fracturas, sin embargo, existen varios factores que contribuyeron a la falla. Entre ellos podemos mencionar: La ejecución incorrecta de las soldaduras, incluyendo el uso de temperatura inadecuada, interrupción de la soldadura, etc. Grietas preexistentes en soldaduras o metal base, ya sea por el deficiente proceso de soldadura o por defectos de fabricación del material. Tensiones residuales en las uniones efecto del proceso de fabricación y construcción Delaminación del ala de la columna debido a la tracción aplicada por el ala de la viga.
- Aumento de la tracción en el ala inferior debido a la presencia de la los a de hormigón, la que eleva la posición del centro de gravedad y además provee restricción al acortamiento de la viga al actuar como diafragma rígido. Estados triaxiales de tensión en la soldadura del ala, cuya contracción transversal bajo tracción longitudinal estaba restringida, generando un estado de tracción en las tres direcciones. Concentración de los ejes resistentes en pocos lugares de la estructura.
- Como resultado de todo lo anterior la conexión exhibía un comportamiento como el mostrado en que la fractura se producía a niveles muy por debajo de la capacidad de la viga.
- El sismo de Kobe tuvo un efecto similar en el diseño de estructuras de acero en Japón. La figura muestra la estructuración más común de los edificios de acero previo al sismo de Kobe en 1995.
- Las conexiones típicas en edificios de acero consistían en columnas tubulares atiesadas con diafragmas de acero a los que se soldaban las alas de un pedazo de viga y, mientras el alma se soldaba directamente a la pared del tubo. Estas columnas eran llevadas a la obra y ensambladas con el resto de la viga en terreno.
- En el caso de las bases de las columnas, se utilizaba tato las placas bases convencionales como las bases embebidas en hormigón.
- Después del sismo de Kobe se pudo observar daños en las vigas como: pandeo local del ala inferior de la viga bajo momentos negativos, pandeo local del alma en las mismas condiciones, fractura de la soldadura del ala inferior de la viga al diafragma de la columna.
- En el caso de las columnas, se observaron fallas como: el pandeo local de las alas de la columna en el caso de columnas I, la fractura horizontal de la pared de la columna tubular en la cercanía de la conexión y la fractura transversal de la columna tubular.
- En marcos arriostrados, la falla más común fue el pandeo de las diagonales de arriostramiento y la fractura de la diagonal debido a los ciclos pandeo-estiramiento.
- Los métodos de análisis para el diseño sismorresistente de estructuras pueden dividirse en análisis estáticos y análisis dinámicos. El análisis estático más usado es el método de las fuerzas laterales equivalentes, en el cual la acción del sismo es reemplazada por una distribución de fuerzas laterales cuya magnitud depende de las características de la estructura, las características del suelo y la ubicación en términos de sismicidad. Existen dos tipos de análisis dinámico. En el caso del análisis modal elástico la respuesta de la estructura se determina considerando los modos de vibrar de la estructura. Si se trata de un análisis en el tiempo, la respuesta en el tiempo de cada modo se determina por separado y luego se superponen para encontrar la respuesta de la estructura. Si se trata de un análisis espectral, se determinan los máximos por modo de las cantidades de interés y luego se superponen usando alguna regla de combinación apropiada. En el caso del análisis dinámico inelástico, es necesario calcular la respuesta de la estructura a un determinado sismo para cada instante de tiempo y repetir el procedimiento para varios sismos representativos del nivel de riesgo sísmico de interés. Mientras más riguroso sea el análisis se puede obtener un diseño más ajustado, sin embargo existe una complejidad y un costo asociados. La selección del método de análisis dependerá de la importancia de la estructura, la configuración estructural y otras características de la estructura que hagan más o menos ventajoso usar uno de los métodos de análisis por sobre otro. Se presentarán en más detalle el método de las fuerzas laterales equivalentes y el análisis modal espectral, por ser los más comunes en los códigos de diseño sísmico modernos.
- El método de las fuerzas laterales equivalentes se deriva del método del modal espectral en el que un modo de vibración particular es predominante en comparación con los demás. Este es el caso de los edificios ordinarios (distribución de la rigidez y de la masa normales en la altura del edificio). El sistema se modela con precisión mediante un sistema de un grado de libertad. Normalmente, el primer modo a flexión se considera como un modo de vibración primario que es posible simplificar en mayor grado a una simple línea. Las fuerzas estáticas equivalentes se calculan de la manera que se indica en la figura. Entonces es posible efectuar un análisis estático clásico bajo la acción de estas fuerzas estáticas equivalentes. El único requisito previo de este método consiste en el período de vibración fundamental T de la estructura. Es necesario calcularlo con el fin de hallar el valor del coeficiente sísmico Cs apropiado, necesario para calcular el corte basal Vb. Alternativamente, en el caso de que no se disponga de un valor preciso del período T, es posible calcular aproximadamente el valor del período fundamental mediante la utilización de una de las fórmulas recomendadas. El método de las fuerzas laterales equivalentes es un método aproximado que resulta adecuado para ciertos tipos de estructuras y para el proyecto preliminar de otras. Puede haber casos en los que este método no sea prudente debido a la posibilidad de que la contribución de los modos de vibración más elevados sea significativa. En estos casos es aconsejable un análisis del espectro de respuesta dinámico completo para la etapa final del proyecto.
- El método de cálculo modal espectral es el procedimiento típico de las normas modernas para la construcción sísmica. Su objetivo consiste en calcular directamente los efectos máximos del sismo en los diversos elementos de la estructura. El método general consiste en el cálculo de los diversos modos de vibración de la estructura y de la magnitud de respuesta máxima en cada modo, tomando como referencia un espectro de diseño. Luego, se hace uso de una regla para combinar las respuestas de los diferentes modos. Debido a esta razón, este método también se denomina el método de la superposición modal. Normalmente, la regla de combinación consistirá en la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de las diversas respuestas modales. Esta regla de combinación debe aplicarse a todas las cantidades calculadas, es decir, momentos flectores, esfuerzos cortantes, esfuerzos normales y desplazamientos. Como consecuencia de ello, los esfuerzos resultantes no representan un conjunto equilibrado.
- Presentaremos a continuación los conceptos principales del diseño sismorresistente. Estos conceptos son aplicables a cualquier tipo de estructura. En los códigos de diseño sísmico modernos se identifican diferentes niveles de riesgo sísmico de acuerdo a la probabilidad de que ocurra un sismo de igual o mayor magnitud en un período determinado de tiempo. Normalmente, los sismos se clasifican en tres categorías principales para una región: sismos de ocurrencia frecuente, sismos de nivel de diseño y sismos máximos esperados.
- Paralelamente, se definen niveles de desempeño sísmico, que no son más que niveles de daño asociados al estado de la estructura después de un sismo. Si seguimos la clasificación de códigos modelo como NEHRP en Estados Unidos, podemos definir cuatro niveles de desempeño sísmico: Operacional: básicamente, la estructura no presenta daños. Su rigidez y resistencia no han sido afectadas y las reparaciones que puedan requerirse son mínimas y pueden llevarse a cabo con la estructura en condiciones de servicio normal. Ocupación inmediata: similar al nivel operacional, pero con un grado mayor de daño en elementos no estructurales. Resistencia y rigidez de la estructura no han sido comprometidas, pero la reparación de daños puede causar interrupciones de servicio menores.
- Preservación de ocupantes: se pueden observar daños importantes en elementos estructurales y no estructurales los que, sin embargo, no representan un peligro para los ocupantes. La estructura o algunos elementos estructurales pueden haber alcanzado su capacidad, pero aun tienen una capacidad de deformación inelástica significativa. No hay degradación de resistencia, pero si de rigidez. La estructura requiere reparaciones mayores antes de poder estar en servicio nuevamente y, en algunos casos, el costo puede significar que la reparación es económicamente inviable. Prevención de colapso: daños generalizados en elementos estructurales y no estructurales, con potencial riesgo de colapso de estos últimos. La estructura ha perdido casi completamente su resistencia y rigidez y podría colapsar debido a réplicas de menor intensidad. La reparación es absolutamente inviable y la estructura debe ser desalojada inmediatamente.
- Una vez definidos los niveles de riesgo sísmico y los niveles de desempeño, es posible definir objetivos de diseño en términos del nivel de desempeño esperado para un nivel de riesgo sísmico dado. Estructuras más importantes, como hospitales, centros de manejo de emergencias y otros tendrán objetivos de diseño más exigentes.
- Uno de los conceptos centrales del diseño sismorresistente es el ductilidad estructural. La ductilidad puede identificarse con la capacidad de deformación inelástica más allá de la primera fluencia y se cuantifica a través del parámetro de ductilidad mu, definido como la deformación de falla dividida por la deformación de fluencia. La figura ilustra el comportamiento de una estructura dúctil y una estructura frágil bajo cargas laterales crecientes. Básicamente, la estructura frágil, al no tener capacidad de deformación inelástica, debe diseñarse para permanecer elástica para las cargas de diseño. Esto significa que debe diseñarse con una capacidad igual o superior al corte basal elástico. En contraste, la estructura dúctil puede diseñarse para un corte basal reducido y aprovechar la capacidad de deformación inelástica. Bajo el principio de desplazamientos equivalentes, los desplazamientos resultantes en la estructura frágil y dúctil son similares. Se puede definir entonces un factor de reducción de la respuesta, R, como la fracción del corte basal elástico que debe resistir la estructura dúctil. Este factor está relacionado con la ductilidad mu de la estructura. En el caso de la figura, R es igual a mu.
- La ductilidad de una estructura va a depender de varios factores, los más importantes siendo: El sistema estructural utilizado: distintos sistemas estructurales tendrán distintos niveles de ductilidad de acuerdo al modo de falla que controle el comportamiento del sistema Los materiales de construcción: materiales como el acero tienen un comportamiento dúctil en su estado inalterado, mientras que otros presentan una ductilidad limitada que depende de las condiciones de uso e instalación. El nivel de detallamiento: la ductilidad del sistema estructural depende de la ductilidad de sus componentes estructurales y, en general, es menor que la ductilidad de estos. La utilización de detalles de conexión y elementos que presenten un comportamiento dúctil redundan en un mejor comportamiento del sistema estructural.
- Podemos agrupar los sistemas estructurales de acero para resistir cargas laterales en cuatro grupos principales: Marcos rígidos o resistentes a momento Marcos arriostrados con diagonales concéntricas Marcos arriostrados con diagonales excéntricas y Muros de corte construidos con placas de acero
- Los marcos resistentes a momento soportan las cargas aplicadas principalmente a través de la flexión de sus elementos. Debido a ello, presentan grandes desplazamientos laterales y su diseño normalmente está controlado por deformación en lugar de resistencia. Vigas y columnas están conectadas a través de uniones que transmiten momento y corte.
- Los marcos arriostrados concéntricamente obtienen su rigidez y resistencia lateral principalmente de las diagonales de arriostramiento. Son sistemas más rígidos, pero de ductilidad menor que los marcos a momento, debido a que el pandeo de las diagonales en compresión es inevitable, y este estado límite tiene una ductilidad muy limitada. Vigas y columnas se consideran como elementos sometidos a esfuerzo axial principalmente.
- Los marcos arriostrados excéntricamente obtienen su rigidez y resistencia a cargas laterales de sus arriostramientos y del “link” que se forma al separarlos. Los arriostramientos están sometidos a esfuerzo axial, mientras que el link se deforma principalmente en corte. Se ha observado que la falla en corte puede proveer una alta ductilidad si los elementos sometidos a corte están apropiadamente diseñados y delimitados.
- Los muros de corte de placas de acero resisten cargas y deformaciones laterales por medio de la deformación por corte de la placa. También toman ventaja de la ductilidad del modo de falla por corte.
- Presentaremos a continuación algunas recomendaciones de detallamiento sísmico. Para mayores detalles se recomienda revisar el capítulo de Estructuración. Las primeras recomendaciones son generales a cualquier tipo de sistema estructural escogido. Es recomendable utilizar aceros dúctiles desde el principio, ya que lograr una buena ductilidad a partir de materiales no dúctiles es generalmente más complicado. Los detalles de conexión invariablemente introducen concentraciones de tensión y aumentan la vulnerabilidad a fractura de los elementos. Por tanto, es buena práctica utilizar aceros que tengan una buena resistencia a la fractura frágil, determinada a partir de los ensayos de Charpy.
- En términos de los elementos estructurales, hay que evitar todos los estados límite que tienen una ductilidad limitada o nula, como el pandeo local, pandeo global, y fallas localizadas. En el caso del pandeo local, se deben usar elementos con relaciones ancho espesor baja de sus componentes (alas, alma) y controlar el nivel de esfuerzo axial. En el caso de la inestabilidad global, los miembros estructurales deben estar arriostrados lateralmente en forma adecuada y los elementos que proveen el arriostramiento fuera del plano deben poseer resistencia y rigidez adecuada. Para las fallas localizadas, se debe decidir entre utilizar secciones más pesadas o proveer atiesadores que eviten fallas como la plastificación del ala, pandeo del alma, aplastamiento del alma y otros bajo cargas concentradas. Por último, se debe escoger los miembros estructurales y modos de falla más dúctiles y diseñar el resto de la estructura de modo que no esté sujeta a fallas incluso paras las cargas más altas esperadas, considerando efectos como la sobrerresistencia y el endurecimiento por deformación del material.
- Las conexiones son críticas en la ductilidad de una estructura. Un mal diseño puede significar eliminar todo el aporte a la ductilidad asociado al material y a los elementos estructurales. Como recomendaciones generales podemos mencionar: Diseñar conexiones con la suficiente resistencia para forzar la falla en los elementos estructurales, los que , en general poseen modos de falla más dúctiles. Si esto no es posible, diseñar la conexión de modo que falle en su modo más dúctil. Evitar concentraciones de tensiones, las que aumentan la vulnerabilidad a fractura. Esto significa, por ejemplo, no generar perforaciones o uniones con ángulos agudos. Evitar estado triaxiales de tensiones, especialmente en las soldaduras, es decir, evitar detalles de conexión en que las deformaciones estén muy restringidas. Evitar fallas por delaminación del acero, las que ocurren cuando se aplican fuerzas significativas en la dirección perpendicular a la dirección de laminación. Estas fuerzas causan la separación de las capas de laminación generando una fractura que luego se propaga rápidamente. Usar electrodos hechos de material resistente a la fractura, según los ensayos de Charpy, y cuya composición proteja a la soldadura de la entrada de contaminantes como hidrógeno, los que aumentan la fragilidad de la misma.
- En términos de recomendaciones respecto al sistema estructural podemos mencionar: Proveer redundancia estructural, es decir que la falla de un eje resistente no signifique la pérdida de toda la resistencia de la estructura. Evitar la falla por inestabilidad de la estructura como conjunto. En este sentido, es importante considerar el efecto desestabilizante de las columnas gravitacionales, las que están sometidas a cargas axiales significativas que inducen fuerzas de segundo orden importantes cuando la estructura es desplazada. Seguir las recomendaciones para una estructuración “sana”, algunas de las cuales se presentan en el capítulo de Estructuración. Estas incluyen procurar la regularidad en planta y altura de la estructura, tanto en masa como en rigidez.
- Presentaremos, a continuación, recomendaciones particulares para cada sistema estructural individualizado previamente. Comencemos por los marcos a momento. El mecanismo de falla que se espera de este tipo de sistemas estructurales se muestra en la figura. Es un mecanismo global en que se generan rótulas plásticas en los extremos de todas las vigas y en la base de las columnas.
- Para lograr que se produzca la rotulación en las vigas y no en las columnas, es necesario que la resistencia de las columnas en flexión sea superior a la demanda impuesta por las vigas. Esto es lo que se conoce como el criterio de columna fuerte-viga débil que se ilustra en la figura. Existen diferentes expresiones para verificar si este criterio se cumple. En el caso de la AISC, se debe comparar las proyecciones de los momentos máximos en las zonas de plastificación y el momento plástico de las vigas debe calcularse considerando la sobrerresistencia del material y el endurecimiento por deformación.
- En el caso de las vigas, debe utilizarse solo secciones sísmicamente compactas. Estas secciones tienen un límite máximo de relación ancho–espesor más restrictivo que asegura una capacidad de deformación inelástica significativa sin pandeo local. Debe, además, evitarse los cambios de sección abruptos, ya que generan concentraciones de tensiones cuyos efectos en la resistencia a la fractura ya hemos discutido previamente. Por último, es necesario evitar discontinuidades, como conectores de corte y otros elementos soldados o perforaciones, en las zonas donde se espera rotulación plástica, debido a que crean potenciales zonas de iniciación prematura de fracturas.
- Para evitar la inestabilidad global es necesario que la viga esté adecuadamente arriostrada lateralmente. Esto significa: Poner arriostramientos a una distancia que permita aprovechar la capacidad plástica de la viga con una capacidad de rotación inelástica significativa. Por eso la especificación sísmica de la AISC establece la longitud de arriostramiento máxima Lps que, en general es más restrictiva que la longitud de arriostramiento Lp de la especificación AISC no sísmica. Proveer arriostramientos con suficiente resistencia para soportar las reacciones inducidas por la viga al tratar de moverse fuera del plano. Proveer arriostramientos suficientemente rígidos para evitar desplazamientos laterales significativos en las vigas. Si el arriostramiento es muy flexible, la reacción sobre el arriostramiento se incrementa, lo que produce mayor deformación y así escala rápidamente hasta que la viga se pandea globalmente, es decir, un arriostramiento flexible no es efectivo.
- En el caso de las columnas, también se requiere que éstas sean sísmicamente compactas. Normalmente no se acostumbra arriostrar lateralmente columnas entre pisos, por lo que solo se especifican requisitos de resistencia y rigidez.
- No es recomendable tener fallas en la base de la columna, que conecta la estructura a la fundación, o en los empalmes de columna que son inevitables en edificios sobre tres pisos. Es por eso que deben diseñarse estas conexiones con una capacidad superior al máximo esfuerzo que se espera que la columna puede desarrollar, incluyendo los efectos de sobrerresistencia del material y endurecimiento por deformación, cuando corresponda. Por otro lado, en la zona de unión de vigas y columna (zona de panel), es necesario proveer refuerzos adecuados para evitar una deformación excesiva que imponga una demanda de deformación exagerada en la conexión. Se deben proveer placas de continuidad dimensionadas de acuerdo a la carga transferida por las alas de la viga al ala de la columna, además de una placa de refuerzo del alma que evite la fluencia en corte de la zona de panel antes de que se produzca la plastificación en las vigas.
- En el caso de las conexiones, estas deben ser capaces de acomodar las rotaciones impuestas por los desplazamientos entre pisos para el sismo máximo esperado, además de tener capacidad suficiente para soportar el momento y corte generado en la conexión cuando la viga está plastificada en sus dos extremos, considerando el momento máximo esperado en la zona de rotulación plástica.
- Para marcos arriostrados concéntricamente, debido a la ocurrencia de pandeo de los arriostramientos en compresión, no se debe colocar todos actuando en al misma dirección, de modo que si fallan aquellos en compresión, todavía haya resistencia provista por los arriostramientos en tracción.
- Por la misma razón no es recomendable utilizar arriostramientos en K, ya que al producirse el pandeo se genera una fuerza desbalanceada que introduce fuerzas axiales adicionales en la columna, pudiendo causar la falla por pandeo de la columna. Es posible utilizar arriostramientos en V o V invertida, siempre que se considere la fuerza desbalanceada en el diseño de la viga.
- Se limita la esbeltez global de los arriostramientos para obtener una capacidad de deformación inelástica aceptable antes de que se produzca la fractura del arriostramiento. Además, se evita la ocurrencia de pandeo local considerando solo secciones que sean sísmicamente compactas.
- En el caso de configuraciones en V o V invertida, cuando se produce le pandeo del arriostramiento en compresión se genera un desbalance entre la fuerza en el arriostramiento en tracción y la capacidad residual en el arriostramiento pandeado. Este desbalance genera cargas puntuales transversales y longitudinales en la viga que afectan el momento y el esfuerzo axial que la viga debe resistir. Esto debe ser tomado en cuenta en el diseño de estas vigas.
- Las conexiones de los arriostramientos deben ser capaces de: Resistir la mayor tracción que se pueda desarrollar en el arriostramiento, basado en la capacidad esperada de la sección bruta, considerando la sobrerresistencia del material y el endurecimiento por deformación. La flexión o la deformación de flexión que ocurre cuando el arriostramiento se pandea fuera del plano. De otra forma se produciría a falla inmediata sin capacidad de deformación inelástica. La mayor fuerza de compresión que se espera que el arriostramiento desarrolle.
- En marcos arriostrados excéntricamente, la disipación de energía se produce por deformación del link en corte y flexión y se diseña el resto de los elementos estructurales para que se mantengan dentro del rango elástico para la máxima deformación que pueda desarrollar el link.
- Debido a que son los elementos críticos, se restringe las secciones que se pueden usar en los link al grupo de secciones sísmicamente compactas. La capacidad de este elemento se determina de la capacidad al corte o la flexión, considerando el efecto de la carga axial cuando esta es suficientemente significativa. Además, se limita la longitud máxima del link en función de la relación entre las tensiones de corte y axiales en él.
- Links más largos actuarán mayormente en flexión, mientras link más cortos actuaran principalmente en corte. En el rango intermedio se producirá una combinación de los dos efectos. La capacidad de deformación inelástica es en general mayor para el caso de links bajo corte que para links en flexión. Es por eso que se establecen los límites mostrados a la deformación del link bajo desplazamientos iguales al desplazamiento de diseño.
- Para lograr un comportamiento estable en fluencia por corte, es necesario reforzar adecuadamente la zona en corte en sus bordes. Por eso se requiere de atiesadores en los extremos del link, los que además sirven para transferir los esfuerzos de corte en el link al resto de la estructura.
- Las conexiones del link al resto de la estructura deben ser capaces de soportar los máximos esfuerzos esperados en el link y a la vez ser capaces de acomodar las distorsiones significativas que genera el tipo de deformación asociado al mecanismo de disipación.
- El mecanismo de disipación de energía en los muros de corte de placas de acero consiste en la fluencia y pandeo de la placa de acero en corte bajo las fuerzas laterales aplicadas a la estructura. Vigas y columnas se mantienen principalmente elásticas, a excepción de posibles fluencia en los extremos de las vigas.
- Como ya se mencionó, la capacidad del sistema está dada por la capacidad de fluencia en corte de las placas de acero. La razón de aspecto de las placas se limita para poder desarrollar el mecanismo de plastificación completo en la placa que permita aprovecharla mejor. Vigas y columnas se diseñan y deben cumplir con los requisitos de vigas y columnas en marcos de momento. Las conexiones de la placa a vigas y columnas se dimensionan considerando la fuerza que genera en dichas conexiones la tracción inclinada que aparece en la placa deformándose por corte.
- Para terminar el capítulo, mostraremos dos ejemplos de estrategias avanzadas que se han utilizado para mejorar la resistencia sísmica de estructuras. El primer caso se aplica en marcos de momento y corresponde a las vigas de sección reducida. En este caso, se reduce la sección de la viga en lugares apartados de la conexión, de forma de forzar la rotulación plástica en estas secciones debilitadas, lo que evita que se produzcan demandas de deformación inelástica considerables en la conexión. La viga así diseñada muestra ciclos de histéresis estables y llenos, lo que significa que tiene una gran capacidad de disipación de energía y de deformación inelástica.
- El segundo caso se aplica en el caso de marcos arriostrados concéntricamente y consiste en la utilización de arriostramientos de pandeo restringido. Estos arriostramientos consisten, esquemáticamente, en una placa de acero rodeada por hormigón, el cual impide que la barra se pandee en compresión. Con estos arriostramientos es posible mejorar la capacidad de disipación de energía y de deformación inelástica de los marcos arriostrados concéntricamente en forma significativa. Tanto la viga de sección reducida como los arriostramientos de pandeo restringido han sido incluidos en las últimas recomendaciones sísmicas de la AISC.