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CAP. 3: PORTICOS ARRIOSTRADOS CONCENTRICAMENTE
CAP. 1: ASPECTOS GENERALES
1
DISEÑO ESTRUCTURAL AVANZADO
Dr. Ing. LUIS M. MORAN YAÑEZ
martes, 15 de Marzo de 2022
UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA
ESCUELA DE POSGRADO
UNIDAD DE POSGRADO EN INGENIERIA CIVIL
MAESTRIA EN INGENIERIA CIVIL

CAP. 1: ASPECTOS GENERALES
2
UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA
ESCUELA DE POSGRADO
UNIDAD DE POSGRADO EN INGENIERIA CIVIL
MAESTRIA EN INGENIERIA CIVIL
DISEÑO ESTRUCTURAL AVANZADO
CAP. 3: PORTICOS ARRIOSTRADOS
CONCENTRICAMENTE

15/03/2022 Dr. Ing. LUIS M. MORAN YAÑEZ 3

3.1 Descripción y tipos de Pórticos
Concéntricamente Arriostrados

3.1 DESCRIPCION Y TIPOS DE CBF
 Un Pórtico Concéntricamente Arriostrado (CBF) puede verse como una
armadura vertical
 En el rango elástico las fuerzas axiales dominan la acción en los
elementos resistentes
 CBF desarrolla ductilidad por acción inelástica en los arriostres:
• Arriostre fluye en tracción
• Arriostre pandea en compresión
 Los arriostres son los fusibles en un CBF
 Las vigas y columnas deben permanecer con esfuerzos en el rango
elástico

Ventajas
• Gran rigidez elástica
• Se cumplen los requisitos de derivas limites con el uso de miembros
relativamente ligeros, en comparación a elementos de los MRF
Desventajas
• Menos ductilidad que otros sistemas estructurales sismico (SMFs, EBFs,
BRBFs)
• Por ello se le asigna un bajo factor de reducción R
• Arriostres reducen la versatilidad arquitectónica

Tipos

3.2 Comportamiento básico de Pórticos
Concéntricamente Arriostrados

3.2 COMPORTAMIENTO BASICO DE CBF
Respuesta inelástica de CBFs bajo carga sísmica

Arriostre en
Compresión - Pandea
Arriostre en Tracción - Fluye
Dúctil
No Dúctil

Arriostre en
Compresión -
Pandea
Arriostre en Tracción -
Fluye
Dúctil
No Dúctil

 El objetivo básico del diseño dúctil de un CBF es permitir que
ocurra el proceso cíclico de fluencia y pandeo en los arriostres
para varios ciclos de cargas, sin que se de la falla en una
conexión o fractura de algún arriostre
 Luego de un sismo importante es de esperarse en un CBF,
adecuadamente diseñado, encontrar arriostres pandeados

Hyogoken-Nanbu
Earthquake, Enero 17,
1995

Hyogoken-Nanbu
1995

Comportamiento de arriostre bajo carga axial cíclica

Desarrollo de comportamiento dúctil en CBFs
 Diseñar pórtico de manera que el
comportamiento elástico se restringe a los
arriostres
• Arriostres son elementos “fusibles” del
pórtico
• Arriostres son los elementos más débiles del
pórtico
 Todos los demás elementos (columnas, vigas,
conexiones) son mas resistentes que los arriostres
 Elegir elementos de arriostre con buena
capacidad de disipación de energía y resistentes a
la fractura (limitar kL/r y b/t)

 Diseñar las conexiones de arriostres para
las máximas fuerzas y deformaciones
impuestas por los arriostres durante ciclos
de fluencia/pandeo

 Diseñar las vigas y columnas (y empalmes
en columnas y bases de columnas) para las
máximas fuerzas impuestas en los
arriostres.

 Diseñar los arriostres para las fuerzas de
sismo especificadas por los códigos
 Diseñar todos los demás elementos del
pórtico para las máximas fuerzas que
pueden desarrollarse en los arriostres

Máximas fuerzas desarrolladas por los Arriostres – Tracción

Máximas fuerzas desarrolladas por los Arriostres – Compresión
For design:
Take Pmax = (Fcre / 0.877) Ag
Take Presidual = 0.3 Pmax
Notes:
1. Fcre = Fcr from AISC 360
Ch. E using RyFy
2. Pmax does not need to
exceed RyFyAg

 Para extremos de arriostres “empotrados”: se formarán rótulas plásticas por flexión al
centro y en los extremos
 El arriostre impondrá momentos flectores en las conexiones y miembros adyacentes
Para diseño:
Tomar Mmax = 1.1 Ry Fy Zbrace (para dirección crítica de pandeo)
Máximas fuerzas desarrolladas por los Arriostres – Compresión y
Momento

 Para extremos de arriostres “articulados”: se formará rótula plástica por flexión al
centro únicamente
 El arriostre no impondrá momentos flectores en las conexiones y miembros adyacentes
 Se debe diseñar la conexión del arriostre para que trabaje como articulación
Máximas fuerzas desarrolladas por los Arriostres – Compresión y
Momento

Máximas fuerzas en columnas y vigas
Para estimar las máximas fuerzas impuestas por los arriostres en
vigas y columnas:
Arriostres en tracción:
Tomar P = Ry Fy Ag
Arriostres en compresión:
Tomar Pcre = menor valor de ((Fcre / 0.877) Ag , RyFyAg )
o P = 0.3 Pcre
el que produzca el caso de diseño crítico

Máxima fuerza de compresión en columnas
Arriostres en traccion:
Tomar P = Ry Fy Ag
Arriostres en compresion:
Tomar P = Pcre

Fuerza de compresión en columna =
[ Σ (Ry Fy Ag ) cos θ + Σ (Pcre) cos θ ] + Pgravity
Máxima fuerza de compresión en columnas
Sumar fuerzas de arriostres para
todos los niveles sobre la columna

Máxima fuerza de tracción en columnas
Arriostres en traccion:
Tomar P = Ry Fy Ag
Arriostres en compresion:
Tomar P = Pcre

Fuerza de tracción en columna =
[ Σ (Ry Fy Ag ) cos θ + Σ (Pcre) cos θ ] - Pgravity
Sumar fuerzas de arriostres para
todos los niveles sobre la columna
Máxima fuerza de tracción en columnas

Encontrar la máxima compresión
axial en la columna
Tracción en arriostre
Tomar: P = Ry Fy Ag
Compresión en arriostre
Tomar: P = 0.3 Pcre
Máxima fuerza de compresión en columna

Basado en un análisis plástico
Compresión Axial en Columna =
(Ry Fy Ag) Cos θ - (0.3 Pcre) Cos θ + Pgrav
Basado en un análisis elástico
Compresión Axial en Columna = Pgrav
Máximas fuerzas en columnas y vigas - EJEMPLO

Tomar: P = Ry Fy Ag
Tomar: P = 0.3 Pcre
Máximo momento flector en viga

P = (Ry Fy Ag - 0.3 Pcre) Sen θ
y adicionar el momento
debido a carga de gravedad
Nota: Basado en análisis elástico el
momento en la viga seria cero
Calcular el momento en el centro de la viga como resultado de
la aplicación de carga concentrada

Máxima fuerza axial de tracción y compresión aplicada a la
cartela
Tomar: P = Ry Fy Ag
Tomar: P = Pcre

Verificar fluencia en
cartela, fractura de
sección neta de cartela,
fractura de bloque de
corte de cartela,
fluencia local del alma
de viga, etc.
Verificar pandeo de
cartela, alabeo de
alma de viga, etc.
Diseño de cartela (gusset plate) - EJEMPLO
Ry Fy Ag
min { (Fcre / 0.877) Ag , RyFyAg }

3.3 AISC Disposiciones Sísmicas para
Pórticos Concéntricamente
Arriostrados Especiales

3.3 AISC DISPOSICIONES SISMICAS PARA CBF ESPECIALES
2016 AISC Seismic Provisions
F.1 Pórticos Concéntricamente Arriostrados Ordinarios (OCBF)
F.2 Pórticos Concéntricamente Arriostrados Especiales (SCBF)

Sección F2. Pórticos arriostrados concéntricamente especiales (SCBF)
F2.1 Alcance
F2.2 Bases de Diseño
F2.3 Análisis
F2.4 Requisitos del sistema
F2.5 Miembros
F2.6 Conexiones

F2.2 Bases de Diseño
 Excentricidades menores que el peralte de la viga son
permitidas si el miembro que resulta y las fuerzas en las
conexiones son consideradas en el diseño, y no cambia la
esperada fuente de capacidad de deformación inelástica.
 Se espera que los SCBF proporcionen significante capacidad de
deformación inelástica principalmente a través del pandeo del
arriostre en compresión y la fluencia del arriostre en tracción

F2.3 Análisis
La resistencia requerida de columnas, vigas, y conectores de SCBF será
determinada usando el efecto de carga sísmica de capacidad-limitada
El efecto de carga sísmica horizontal de capacidad-limitada Ecl se tomara
como la mayor fuerza del siguiente análisis:
1. Todos los arriostres se asumen que soportan la fuerza correspondiente a
su resistencia esperada en compresión o en tracción
2. Todos los arriostres en tracción se asume que soportan la fuerza
correspondiente a su resistencia esperada y todos los arriostres en
compresión se asume que soportan su resistencia esperada post-pandeo
3. Requisitos especiales para pórticos arriostrados de multinivel

Máxima fuerza axial de compresión y momento flector en viga

Conexión viga-columna:
tipo columna-dintel

Fuerzas actuando en
la viga

F2.4a Distribución de fuerza lateral
Junto con cualquier línea de arriostramiento, los arriostres se
dispondrán en dirección opuesta de manera que, para cada
dirección de fuerza paralela al arriostre, al menos el 30% pero no
mas del 70% de la fuerza total horizontal es resistida por arriostres
en tracción

F2.4a Distribución de
fuerza lateral
Disposición de arriostres
de forma que la mitad este
en tracción y la otra mitad
en compresión
Todos los arriostres en tracción (o compresión)
NO bueno
OK

F2.4b Pórticos arriostrados tipo V- y V invertida

(a) Vigas deben ser continuas entre columnas
(b) Arriostrar la viga en el punto de
intersección de arriostres
Arriostrar el resto de la viga según D1.2a para
miembros moderadamente dúctiles
0.19

F2.4c Pórticos arriostrados tipo K
Arriostres tipo K no se permiten para SCBF

No permitido Requisitos especiales
F2.4d Pórticos solo tracción F2.4e Pórticos arriostrados multi-
nivel

F2.5a Requisitos básicos
Columnas, vigas y arriostres deberán cumplir los requisitos de la
sección D.1 para miembros de alta ductilidad
Columnas, vigas y arriostres deben se extra
compactas para tener ductilidad y alcanzar la
resistencia plástica: λ ≤ λhd

F2.5a Limitaciones ancho/espesor
Vigas: λ ≤ λhd
Arriostres: λ ≤ λhd
Columns:
λ ≤ λhd

Arriostres: forman rótula plástica durante el pandeo
Alto b/t: pandeo local y posible fractura puede ocurrir en la región de
rótula plástica

University of Berkeley Lab.

1994
Northridge EQ

Elementos de arriostre: ≤
Para perfiles HSS rectangulares (Acero A500 Gr C)
≤ 0.65 0.65
29000
1.3 50
13.7
Para perfiles HSS circulares (Acero A500 Gr C)
≤ 0.053 0.053
29000
1.3 46
25.7

AISC Seismic Design Manual
Table 1-5b

AISC Seismic Design Manual
Table 1-6

Arriostres deben tener:
F2.5b(a) ESbeltez
Esta es una limitación para prevenir efectos dinámicos indeseados
≤ !""

F2.5b(c) Area neta efectiva
El área neta efectiva del arriostre no será menor que el área bruta del arriostre.
Donde se use refuerzo en el arriostre se aplicará:
1. La resistencia a fluencia mínima especificada del refuerzo será al menos
igual que la resistencia mínima especificada del arriostre
2. Las conexiones del refuerzo al arriostre tendrán suficiente resistencia para
desarrollar la resistencia esperada del refuerzo en cada lado de la sección
reducida
OBJETIVO: Fluencia de la sección bruta del arriostre antes que la
fractura de la sección neta

1995 Hyogoken-
Nanbu EQ
• Arriostre fracturado en
conexión empernada
• El área efectiva fue
reducida por agujeros de
pernos
• Sección 13.2b dispuesto
para evitar fractura en las
secciones netas de
miembros

1995 Hyogoken-
Nanbu EQ

Verificar si área neta efectiva ≥ área bruta
cartela
arriostre de doble ángulo

Sección Neta Crítica
Ae = U An
Ae < Ag debido a:
Hueco de perno (An < Ag)
Relajación de cortante (U < 1)
Ag: Area bruta
An: Area neta
Ae: Area neta efectiva

Reforzando sección neta de elemento de arriostre
• Satisfacer la sección
F2.5b requiere
generalmente
reforzamiento del
arriostre
• El área neta
efectiva es al menos
igual que el área
bruta
Placas de refuerzo se
sueldan a los ángulos para
incrementar su sección neta

Verificar arriostre de sección HSS (Hollow Structural Section)
para el Estado Límite de fractura de la sección neta
cartela Elemento HSS
rectangular
Reforzando sección neta de elemento de arriostre

Sección Neta Crítica
Ae = U An
Ae < Ag debido a:
Ranura (An < Ag)
Relajación de cortante (U < 1)
Se requiere
reforzar la sección
neta

Reforzamiento de sección neta del arriostre
• Satisfacer la sección
F2.5b requiere
generalmente
reforzamiento del
arriostre
• El área neta
efectiva es al menos
igual que el área
bruta

Zonas
Protegidas B = peralte de
Arriostre en plano
de pandeo

Option (a) Design as simple connection
Allow rotation per Specification B3.4a
F2.6b Conexión viga-columna

Example of loads
associated with required
moment
2nd Ed. SDM Ex. 5.3.12

Continuity Plates per
E3.6f (if required)
CJP, Demand
Critical, leave
backing bar,
remove weld
tabs
Back up bar
to column 5/16
Alternative:
single plate
bolted web
connection
Remove backing,
backgouge,
reinforcing fillet
5/16
CJP Demand
Critical
Design for strength of
continuity plate, CJP,
two-sided PJP with
fillets , or double fillet
Weld access holes
per AWS D1.8
Clause 6.11.1.2 and
Figure 6.2
CJP
web to
column

Verificar la resistencia a tracción requerida de la conexión del arriostre

Considere la
trayectoria de
carga a través de
la región de
conexión
• Componente horizontal de fuerza de
arriostre debe transmitirse a viga
• Componente vertical de fuerza de
arriostre debe transmitirse a columna

Considere la trayectoria de carga a
través de la región de conexión
Método de la fuerza uniforme
Componente vertical de Pu
transferido a la columna
Vuc + Vub = Pu Sen θ
Vuc: es transferido directamente a
la columna
Vub: es transferido indirectamente
a la columna a través de la viga
y la conexión viga-columna

Considere la trayectoria de carga a
través de la región de conexión
Método de la fuerza uniforme
Componente horizontal de Pu
transferido a la columna
Huc + Hub = Pu Cos θ
Huc: es transferido directamente a
la columna
Hub: es transferido indirectamente
a la columna a través de la viga
y la conexión viga-columna

• Considere la trayectoria de carga
a través de la región de conexión
• Ser cuidadoso en el uso de
pernos y soldadura
• De acuerdo a la sección D2.2(b)
los pernos y soldaduras no
deben diseñarse para compartir
la fuerza en una junta o el
mismo componente de fuerza en
una conexión
Pu = Ry Fy Ag
Pu sin θ
Pu cos θ

• Si se diseña por el
método de la fuerza
uniforme, esta conexión
viola la restricción dada
en D2..2(b) de no usar
pernos y soldadura
simultáneamente
• Pernos y soldadura
deben transferir los
mismos componentes de
fuerza

F2.6c Resistencia requerida en Conexión de Arriostre
La resistencia requerida de la conexión en compresión debe ser la
menor de min { (Fcre / 0.877) Ag , RyFyAg }
Fcre es el esfuerzo crítico de pandeo (Fcr) del Capitulo E del
reglamento AISC
Considerando RyFy como el esfuerzo de fluencia

Diseño de conexión de arriostre

La resistencia requerida de la conexión de arriostre
Mu = 1.1 Ry Mp = 1.1 Ry Fy Zarr

Para arriostres de extremos fijos:
• Rotulas plásticas por flexión se formarán al centro y extremos de arriostre.
• Arriostre impondrá momento flector en las conexiones y miembros
adyacentes
Mu = 1.1 Ry Mp = 1.1 Ry Fy Zarr
para la dirección
critica de pandeo

1995 Hyogoken-
Nanbu EQ

108

AISC Seismic Provisions - SCBF
F2.6c.3 Adecuación para rotación de conexión
b) Capacidad Rotacional: Conexión de arriostre
diseñada para soportar las rotaciones impuestas por
el pandeo del arriostre tendrá suficiente capacidad
para acomodar dicha rotación en el desplazamiento
de nivel. Se permiten rotaciones inelásticas de la
conexión
109

 Para extremos de arriostres “articulados”: se formará rótula plástica por flexión al
centro únicamente
 El arriostre no impondrá momentos flectores en las conexiones y miembros adyacentes
 Se debe diseñar la conexión del arriostre para que trabaje como articulación

Para acomodar
rotación en
extremo de
arriostre:
Proporcionar
“línea de pliegue”
Pandeo perpendicular
a la cartela
Línea de rotación (línea de
pliegue) cuando el arriostre
pandea fuera del plano
(dirección débil de cartela)

Enfoque de línea
de pliegue

Piso de losa de concreto
La línea de pliegue debe
localizarse de manera
que no sea interferida
por la losa

Piso de losa de concreto
Cuando la losa es
cortada antes de la
conexión, se evita la
interferencia con la línea
de pliegue

Conexiones de arriostre sin línea de
pliegue

Falla en conexión de
arriostre HSS por
falta de línea de
pliegue

Verificar:
• Pandeo de la cartela
• Alabeo de la cartela

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