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CAP. 1: ASPECTOS GENERALES
1
DISEÑO ESTRUCTURAL AVANZADO
Dr. Ing. LUIS M. MORAN YAÑEZ
jueves, 24 de Febrero de 2022
UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA
ESCUELA DE POSGRADO
UNIDAD DE POSGRADO EN INGENIERIA CIVIL
MAESTRIA EN INGENIERIA CIVIL

2
Diseño Sismorresistente de
Estructuras de Acero
Dr. Ing. LUIS M. MORAN YAÑEZ
ESCUELA DE POSGRADO

3
Diseño Sismorresistente de
Estructuras de Acero
ESCUELA DE POSGRADO

5
CONTENIDO
1.1 ESTUDIO DEL EFECTO DE LOS SISMOS
1.2 COMPORTAMIENTO DE EDIFICACIONES DE ACERO EN
SISMOS PASADOS
1.3 CÓDIGOS PARA EL DISEÑO SÍSMICO DE EDIFICACIONES DE
ACERO
1.4 FILOSOFÍA DE LOS CÓDIGOS DE DISEÑO DE EDIFICACIONES
1.5 REVISIÓN DEL CÓDIGO DEL AISC ‘SEISMIC PROVISIONS’
1.6 SISTEMAS SISMORRESISTENTES PARA EDIFICACIONES DE
ACERO

6
1.1 ESTUDIO DEL EFECTO DE LOS
SISMOS

24/02/2022 Dr. Ing. LUIS M. MORAN YAÑEZ 7

Placas tectónicas de la Tierra

Efectos de los sismos sobre las estructuras

Losa de vibración para simulación sísmica

Muro de reacción para simulación sísmica

15
1.2 COMPORTAMIENTO DE
EDIFICACIONES DE ACERO EN
SISMO PASADOS

16
1.2 COMPORTAMIENTO D EDIFICACIONES DE ACERO ES SISMOS PASADOS
Causas de fatalidades por sismos: 1900 a 1990 (EERI)
24/02/2022 Dr. Ing. LUIS M. MORAN YAÑEZ

17
Sismo de Tohoku 2011, Japón
• Colapso de edificaciones de concreto
reforzado
• Daño debido al tsunami en edificaciones
industriales de acero

18
Sismos de Christchurch 2010-2011, Nueva Zelanda
• 6 sismos severos
• Estructuras de acero con buen desempeño
• Mayoría de edificaciones de acero construidas después de
1990 bajo modernos códigos
• Muy pocas fallas del enlace en edificaciones de EBF, fracturas
en arriostres de edificaciones de CBF

19

20
Muy pocas pérdidas de vidas humanas atribuidas al colapso de
edificaciones de acero
Razones para ello: Edificaciones de acero ….
- son generalmente más ligeras que albañilería y concreto reforzado y el
menor peso se traduce en menores fuerzas sísmicas
- muestran buena ductilidad, incluso cuando no se diseñan o detallan
para resistir sismos

21
Sin embargo, las edificaciones de acero
soldado han mostrado un incremento
de problemas estructurales durante
sismos recientes
Complejo Pino Suarez
Sismo de Ciudad de México de 1985

22
Sismo de Northdrige 1994

23
Sismo de Hyogoken-Nanbu
(Kobe), 1995

24
Sismo de Kobe, 1995
- Aproximadamente 90 edificaciones de acero colapsaron
- La mayoría de las edificaciones construidas antes de adoptarse el código
de diseño en 1981
- Pero, aun edificaciones de acero modernas mostraron daños
inesperados, como fracturas en las conexiones viga-columna

25
(Kobe), 1995

26
(Kobe), 1995

27
Evidencias de sismos anteriores
- Sismos revelaron problemas con edificaciones modernas de acero en las
uniones soldadas
- Se requería mayor cuidado en el diseño, detallado y construcción de
edificaciones de acero para asegurar un desempeño satisfactorio
- Esto devino en el desarrollo de regulaciones de los códigos de diseño
específicamente para un adecuado comportamiento sismorresistente

28
1.3 CODIGOS PARA EL DISEÑO SISMICO
DE EDIFICACIONES DE ACERO

29
1.3 CODIGOS PARA EL DISEÑO SISMICO DE EDIFICACIONES DE ACERO
1. Structural Engineers
Association of California
(SEAOC) “Blue Book” 1998
Primer reglamento completo
para detallado en acero

30
2. American Institute of Steel Construction
(AISC) “Seismic Provisions for Structural
Steel Buildings”
1ra Ed. 1990
2da Ed. 1992
3ra Ed, 1997
4ta Ed. 2002
5ta Ed. 2005
6ta Ed. 2010
7ma Ed. 2016 (vigente)

31
3. Quantification of Building
Seismic Performance Factors
FEMA P695

32

33
1.4 FILOSOFIA DE LOS CODIGOS DE
DISEÑO DE EDIFICACIONES

34
1.4 FILOSOFIA DE LOS CODIGOS DE DISEÑO DE EDIFICACIONES
Filosofía de códigos de edificación convencional
Objetivo: Prevenir colapso durante sismo extremo esperado en el lugar
de la edificación
Objetivos secundarios:
- limitar los daños en la edificación
- mantener funcionamiento
- permitir reparaciones fáciles

35
Analogía del carro
En el evento de una gran colisión, el objetivo del diseño del vehículo es
proteger a los ocupantes del carro, no proteger el carro en si.

36
En el caso de un gran sismo, el edificio es usado a manera
de sacrificio para que absorba la energía del sismo, para
prevenir el colapso y proteger a los ocupantes

37
Cual es la filosofía para un diseño económico de una edificación que resista
un sismo extremo?
Diseñar para un comportamiento dúctil

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39

40

41
- Se da un balance entre Resistencia y
ductilidad
- Ductilidad significará “daño”
- Para una estructura diseñada para fluir
durante un sismo, la máxima fuerza
lateral que experimentará durante el
sismo es definida por la propia
resistencia lateral de la estructura
- Todo diseño basado en códigos utiliza el
concepto de ductilidad

42
Ductilidad en estructuras de acero = Fluencia
Modo de falla no dúctil = Fractura o inestabilidad

43
Desarrollo de comportamiento dúctil
Seleccionar elementos de pórtico que fallarán
durante el sismo (fusibles) tales como:
• vigas en pórticos resistentes
• arriostres en pórticos concéntricamente
arriostrados (CBF)
• enlaces en pórticos excéntricamente
arriostrados (EBF)

44
• Detallar los “fusibles” adecuadamente para obtener grandes
deformaciones inelásticas antes de que se de la fractura o inestabilidad
• Los elementos “fusibles” se deben detallar por ductilidad

45
Diseñar los elementos de pórtico para ser mas resistentes que los
“fusibles”, ósea, diseñar todos los otros elementos para que desarrollen
toda su resistencia plástica
CONCEPTO DE DISEÑO POR CAPACIDAD

46
Comportamiento menos dúctil Comportamiento más dúctil

47
Elementos claves en el diseño sismo resistente
Requisitos para Resistencia Lateral
• ASCE-7 (Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures)
• NEHRP (Requisitos de Resistencia y rigidez)
Requisitos de detallado vs Ductilidad
• AISC Seismic Provisions for Structural Steel Buildings

48
Cargas de diseño sísmicas – Cortante basal según ASCE 7
V = Fuerza lateral total de diseño o cortante
basal de la estructura
W = Peso sísmico efectivo de la estructura
CS = Coeficiente de respuesta sísmico
V
V = Cs W

49
Cargas de diseño sísmicas – Cortante basal según ASCE 7
Que significa R = 1 o R > 1?

50
Cargas de diseño sísmicas – Cortante basal según ASCE 7-16
=
=
( ⁄ )
≤
( ⁄ )
for T ≤ TL

51
Factor R para sistemas estructurales de acero (ASCE 7)

52
Factores R
• Como se determinaron los actuales factores R?
• Como se determinaron los factores R para
sistemas nuevos?

53
Factores R SMF (Special Moment Resisting Frames): R = 8
IMF (Intermediate Moment Resisting Frames): R = 4.5
OMF (Ordinary Moment Resisting Frames): R = 3.5
EBF (Eccentrically Braced Frames): R = 8
SCBF (Special Concentrically Braced Frames): R = 6
OCBF (Ordinary Concentrically Braced Frames): R = 3.25
BRBF (Buckling Restrained Braced Frame): R = 8
SPSW (Special Plate Shear Walls): R = 7
Undetailed Steel Systems in
Seismic Design Categories A, B or C R = 3
(AISC Seismic Provisions not needed)

54
1.5 REVISION DEL CODIGO DEL AISC
“SEISMIC PROVISIONS”

55
1.5 REVISION DEL CODIGO DEL AISC ‘SEISMIC PROVISIONS”
ANSI/AISC 341-16

56
1.5 REVISION DEL CODIGO DEL AISC ‘SEISMIC PROVISIONS”
Symbols
Glossary
A. General Requirements
B. General Design Requirements
C. Analysis
D. General Member and Connection Design Requirements
E. Moment-Frame Systems
F. Braced-Frame and Shear-Wall Systems
G. Composite Moment-Frame Systems
H. Composite Braced-Frame and Shear-Wall Systems
I. Fabrication and Erection
J. Quality Control and Quality Assurance
K. Prequalification and Cyclic Qualification Testing Provisions
Commentary
AISC Seismic Provisions for Structural Steel Buildings

57
1.6 SISTEMAS SISMORRESISTENTES
PARA EDIFICACIONES DE ACERO

58
1.6 SISTEMAS SISMORRESISTENTES PARA EDIFICACIONES DE ACERO
Sistema estructural sismorresistente
Conjunto de elementos que al unirse forman un sistema
capaz de resistir las fuerzas sísmicas (horizontales y
verticales).
TIPOS
• Pórtico resistente a momentos
• Pórtico arriostrado concéntricamente
• Pórtico arriostrado excéntricamente
• Pórtico con arriostres de pandeo restringido
• Muros de corte con placas especiales

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Pórtico Resistente a Momentos
- Pórticos conformados por vigas y columnas con
conexiones resistentes a momentos flectores.
- Resisten las fuerzas laterales por flexión y
cortante en vigas y columnas.

60

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Requerimientos de diseño
• El pórtico debe desarrollar una gran ductilidad
sin presentar falla en la conexión viga-
columna.
• La conexión viga-columna se convierte en un
elemento de primer orden en los pórticos
resistentes a momento.

63

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Pórtico arriostrado concéntricamente
Pórticos conformados por vigas, columnas y arriostres dispuestos en forma
de reticulado vertical.
Los arriostres se intersectan en un punto
Resisten las fuerzas laterales por una acción tipo reticulado
Desarrollan ductilidad mediante deformación inelástica de los arriostres:
• Arriostre fluye en tracción
• Arriostre pandea en compresión

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Arriostre en
Compresión
- Pandea
Arriostre en
Tracción - Fluye
Arriostre en
Compresión
- Pandea
Arriostre en
Tracción - Fluye

70

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Pórtico arriostrado excéntricamente
• Pórticos conformados por vigas, columnas y arriostres.
• Los arriostres aíslan una pequeña porción de la viga, denominada
“link” o “enlace”
• Comportamiento inelástico en la región de los “link”.
• Los demás elementos (vigas, columnas, arriostres, uniones)
permanecen en comportamiento elástico y se diseñan para soportar
las máximas fuerzas actuantes en el link.

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Fuerzas internas
en los “link”

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Pórtico con arriostres de pandeo restringido
• Son pórticos con arriostres concéntricos.
• Resisten las cargas sísmicas principalmente mediante un efecto de
reticulado.
• Arriostres reforzados para restringir el pandeo en la compresión.
• Los arriostres concéntricos no pandean durante la compresión.

78
Pórtico con
arriostres de
pandeo
restringido

79
• Los arriostres fluyen tanto en tracción como en compresión.
• Los arriostres son los elementos “fusibles” del sistema.
• Los demás elementos del pórtico se mantienen en comportamiento
elástico.
Ventajas
• mayor rigidez lateral elástica
• mayor ductilidad en las deformaciones inelásticas

80
Material aislante
Núcleo de acero
Mortero de relleno
Tubo de acero

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85
Arriostre en
Tracción - Fluye
Arriostre en
Tracción - Fluye
Arriostre en
Compresión - Fluye
Arriostre en
Compresión - Fluye

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• Sección central del núcleo de acero se espera que fluya en tracción y
compresión.
• Los extremos del núcleo de acero se dejan fuera del forro de acero y
sirven para conectar el arriostre con el pórtico.
• El diseño del arriostre es proporcionado por fabricantes con patentes
aprobados según reglamentos.

87
Muros de corte con placas de acero
• Sistema estructural que permite proveer de rigidez y resistencia ante
cargas laterales a una estructura.
• Está compuesto por placas verticales de acero (placa de relleno),
enmarcadas por columnas (VBE) y vigas (HBE).
• Muro presenta inicialmente una gran rigidez y comportamiento muy
dúctil, pudiendo disipar gran cantidad de energía.
• La conexión viga-columna, de los elementos de borde, puede ser
simple (sistema simple) o de momento (sistema dual).

88
columnas (VBE)
vigas (HBE)
placa de acero

89
Ventajas
• Buen comportamiento dúctil
• Estructura más liviana
• Construcción más rápida
• Menor espacio requerido en planta

90
Muros de corte con
placas de acero
U.S. Federal Courthouse, Seattle

91

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