Consideraciones acerca de sistemas sismorresistentes en acero

Consideraciones acerca de sistemas

sismorresistentes en acero

Ing. Daniel Silvério

CTS / Commercial Technical Support – ArcelorMittal International (Brasil)

Consideraciones iniciales

• Un placer poder darle seguimiento a esta serie de conversatorios enfocados en Acero Estructural

• Se desea que el auditorio pueda tener una visión general acerca de la filosofía de diseño y principales sistemas

• Adicionalmente, abordaremos aspectos específicos acerca de la materia prima, con foco en aceros de alta resistencia

Agenda de la conferencia

•Consideraciones iniciales

•El tipo de acero: buenas prácticas

•Filosofía de diseño

•Base normativo

•Sistemas Sismorresistentes en Acero

•El uso de Aceros de Alta Resistencia (A913) en Sistemas Sismorresistentes

Parte 1 – Ing. Daniel Silvério

Consideraciones iniciales

Acción sísmica

• Origen más probable →movimiento de placas

• Se trata de los efectos de movimiento del suelo

• Incertidumbres: ubicación exacta, cuando y amplitud del movimiento del suelo (aceleraciones)

Consideraciones iniciales

El concepto de disipación de energía

• Concepto a → Rígido & Frágil (rango elástico)

• Concepto b → “Flexible” & Dúctil (incursión inelástica)

Consideraciones iniciales

Propiedad Fundamental

• DUCTILIDAD: Relación entre deformaciones (elongación, deflexión) → rotura/cedencia

𝐷𝑈𝐶𝑇𝐼𝐿𝐼𝐷𝐴𝐷 =𝜀𝑢𝑀𝐴𝑋𝜀𝑦𝑀𝐴𝑋

Consideraciones iniciales

¿QUÉ MATERIAL PUDIERA ENTREGAR BUENA DUCTILIDAD?

Consideraciones iniciales

EL ACERO

Consideraciones iniciales

EL ACERO

• Dúctil en su esencia

• Múltiples posibilidades en cuanto a mecanismos de incursión inelástica (conexiones)

• Altísimo nivel de confiabilidad: propriedades mecánicas & geométricas

• Flexibilidad y Óptima relación resistencia x peso

Contexto histórico: Northridge (1994)

• No hubo colapsos de edificios en acero

• Edificios en acero se comportaron relativamente bien

• Uniones Vigas-Columnas de Sistemas e Pórticos a Momento → fallas frágiles no previstas

• Mecanismos de falla → Fisuras originarias en soldaduras tipo CJP propagándose hacia los patines de las columnas

El tipo de acero: buenas prácticas

Contexto histórico: Northridge (1994)

• The SAC Steel Project (FEMA) →mejorar el detallado / especificaciones de materiales más adecuadas para requerimientos sísmicos

• FEMA 350

• AISC 341→ Provisiones sísmicas (columna fuerte-viga débil)

• AISC 358 → Conexiones precalificadas a momento

• Control de CE

• A992

• Tenacidad CVN → evitar la formación de fisuras en el metal base

• A913

El tipo de acero: buenas prácticas

Propiedades deseables

• TENACIDAD: Capacidad de absorción de energía (redistribución de tensiones) sin la aparición de mecanismos de falla frágil → CVN

• SOLDABILIDAD: Facilidad con que se puede soldar bajo prácticas “usuales”, ayudando a prevenir mecanismos de falla frágil (fisuración en frío) → CE

El tipo de acero: buenas prácticas

CONFIABILIDAD ACERCA DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS

• FEMA 355A (1995) → aceros bajo esp. ASTM A36 → Prueba > 1.5 Nominal

• Concepto “RESISTENCIA ESPERADA”

El tipo de acero: buenas prácticas

El tipo de acero: buenas prácticas

NORMA GRADO fy (MPa) fu (MPa)Al.min200mm

Al.min50mm

CEIIW

CVNASTM A673

A36-14 36 Min. 250 400-550 20% 21% N/E N/E

A572-18

42 Min. 290 Min. 415 20% 24% N/E N/E

50 Min. 345 Min. 450 18% 21% N/E N/E

55 Min. 380 Min. 485 17% 20% N/E N/E

60 Min. 415 Min. 520 16% 18% N/E N/E

65 Min. 450 Min. 550 15% 17% N/E N/E

A992-15 50 345-450 Min. 450 18% 21% 0.45% Suplementario

A913-19

50 Min. 345 Min. 450 18% 21% 0.38% 54J a 21°C

60 Min. 415 Min. 520 16% 18% 0.40% 54J a 21°C

65 Min. 450 Min. 550 15% 17% 0.43% 54J a 21°C

70 Min. 485 Min. 620 14% 16% 0.45% 54J a 21°C

80 Min. 550 Min. 655 13% 15% 0.49% 54J a 21°C

EVITAR MECANISMOS FALLA FRÁGIL

• BUENA SOLDABILIDAD → CE

• ADECUADA TENACIDAD → CVN

El tipo de acero: buenas prácticas

UN BUEN DISEÑO COMIENZA CON UNA BUENA ELECCIÓN DEL TIPO DE ACERO

A913

A992

A572

A36Esp

ecif

icac

ion

esm

ás r

estr

icta

sEsp

ecificacion

es“p

ob

res”

Filosofía de Diseño

DISIPACIÓN DE ENERGÍA / MECANISMOS FUSIBLES

• Elementos de la estructura estratégicamente seleccionados →rango inelástico, disipando energía → $$$$ x Control del daño

• Ductilidad → capacidad de deformarse sin pérdidas de resistencia significativas ni tampoco daños excesivos

Filosofía de Diseño

DISIPACIÓN DE ENERGÍA / MECANISMOS FUSIBLES

• Pórticos Resistentes a Momento → Viga

• Pórticos Con Arriostramientos Concéntricos → Riostras

• Pórticos Con Arriostramientos Excéntricos → Enlaces

Filosofía de Diseño

DISIPACIÓN DE ENERGÍA / MECANISMOS FUSIBLES

• Demás elementos permaneciendo en el rango elástico

• Control de fallas frágiles → conexiones & diseño por capacidad (máximos esfuerzos probables)

Filosofía de Diseño

FACTOR DE MODIFICACIÓN DE RESPUESTA “R” → Cargas reducidas

• Capacidad de disipación de Energía del sistema sismorresistente (Ductilidad “Global de la estructura”)

• Redundancia

• Irregularidad

0,000

0,200

0,400

0,600

0,800

1,000

1,200

0,000 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000

ESPECTROS DE RESPUESTA

Filosofía de Diseño

DIRECTRICES GENERALES

• Espectro de Respuesta

• Elástico (corregido por Cd) → Verifico las derivas entre pisos

• Inelástico (reducido por R) → Diseño

• Revisión de Irregularidades: horizontal torsional / vertical piso flexible y blando

• Redundancia

Base Normativo

ACCIÓN SÍSMICA Y DEMÁS CONDICIONES DE CONTORNO

• Tipo de Sistema Estructural, Categoría (Riesgo), Irregularidades y Redundancia

• Espectro de Respuesta

• Limitaciones en altura

• Detallados y requerimientos especiales

• Límites máximos para derivas entre pisos

Base Normativo

ASCE 7-16

SISTEMA SISMORRESISTENTE R Ω0 Cd

ALTURA (pies) según Categoría deDiseño Sísmico (suelo)

B C D E F

EBF - Pórtico con Arriostramientos Excéntricos

8 2 4 NL NL 160 160 100

SCBF - Pórticos Especiales con Ariostramientos Concéntricos

6 2 5 NL NL 160 160 100

SMF - Pórticos Especiales Resistentes a Momento

8 3 5.5 NL NL NL NL NL

Base Normativo

R-001 (República Dominicana)

SISTEMA SISMORRESISTENTE Rd CdALTURA (m) según Zona Sísmica

Z1 Z2

EBF - Pórtico con Arriostramientos Excéntricos

5 4 NL NL

SCBF - Pórticos Especiales con Ariostramientos Concéntricos

4.5 4 NL NL

SMF - Pórticos Especiales Resistentes a Momento

5.5 4.75 50 NL

Pórticos Especiales de HormigónReforzado

5.5 4.75 NL NL

Base Normativo

AISC 360-16

• Diseño a tracción

• Diseño a compresión

• Diseño a corte

• Diseño a flexión

Base Normativo

AISC 341-16: PROVISIONES SÍSMICAS

• Materiales

• Criterios de Ductilidad: sección transversal

• Criterios de Ductilidad: Max Lb

• Chequeos adicionales

Base Normativo

AISC 341-16: PROVISIONES SÍSMICAS (Materiales)

• Elementos fusibles →máx. gr.50

• Columnas →máx. gr.70 (SMF, STMF, C-SMF, EBF, SCBF, C-SCBF,C-EBF)

Base Normativo

AISC 341-16: PROVISIONES SÍSMICAS (Materiales)

• Resistencias Esperadas

Base Normativo

AISC 341-16: PROVISIONES SÍSMICAS (Ductilidad Sección Transv.)

• Moderada Ductilidad

• Alta Ductilidad

Base Normativo

AISC 341-16: PROVISIONES SÍSMICAS (Ductilidad Max. Lb)

• Moderada Ductilidad

• Alta Ductilidad

𝐿𝑏 ≤0,19 × 𝑟𝑦 × 𝐸

𝑅𝑦 × 𝑓𝑦

𝐿𝑏 ≤0,095 × 𝑟𝑦 × 𝐸

𝑅𝑦 × 𝑓𝑦

Base Normativo

AISC 341-16: PROVISIONES SÍSMICAS (Ductilidad)

• Moderada Ductilidad

• Alta Ductilidad

Sistemas Sismorresistentes en Acero

PÓRTICOS RESISTENTES A MOMENTO

• OMF

• IMF

• SMF Mayores alturas

Se requiere mayor ductilidad

Son necesarios controles y detallados más estrictos

Sistemas Sismorresistentes en Acero

SMF – Pórticos Especiales Resistentes a Momento

• Alta ductilidad → buena disipación de energía

• Respuesta → Corte y flexión

• Poca rigidez → Problemas con las derivas / limitación de altura

• Mecanismo fusible → Rotula plástica en la viga / panel nodal / columna (evitar)

• Arquitectura →menor impacto

Sistemas Sismorresistentes en Acero

SMF – Pórticos Especiales Resistentes a Momento

• VIGAS → Alta Ductilidad / Flexión

• COLUMNAS → Alta Ductilidad / Flexo-compresión

• COLUMNA FUERTE-VIGA DÉBIL

• ZONA DEL PANEL (Distorsión por corte) → Doubler plates + Chapas de continuidad

• VERIFICACIÓN ESPECIAL DE LA COLUMNA → Carga máxima probable luego de la rotula plástica en la viga

• CONEXIÓN → En el ala / precalificada (AISC 358)

Sistemas Sismorresistentes en Acero

CBF – Pórticos con Arriostramiento Concéntrico

• IMF

• SMF

Mayores alturas

Se requiere mayor ductilidad

Son necesarios controles y detallados más estrictos

Sistemas Sismorresistentes en Acero

SCBF – Pórticos Especiales con Arriostramiento Concéntrico

• Moderada ductilidad y disipación de energía

• Respuesta → Tracción y compresión

• Mucha rigidez → Buen desempeño frente a las derivas / más altura

• Mecanismo fusible → Cedencia/pandeo de las riostras

• Arquitectura → “desfavorable”

Sistemas Sismorresistentes en Acero

SCBF – Pórticos Especiales con Arriostramiento Concéntrico

• VIGAS →Moderada Ductilidad / Axial o flexión compuesta

• COLUMNAS → Alta Ductilidad / Compresión o Flexo-compresión

• RIOSTRA → Alta Ductilidad / Cedencia o pandeo

• Riostras con Esbeltez Global 40 ~ 100 →Mayor disipación de energía

• MÁXIMO ESFUERZO PROBABLE Caso 1 → todas las riostras traccionadas y comprimidas

• MÁXIMO ESFUERZO PROBABLE Caso 2 → todas las riostras traccionadas y comprimidas en post-bucklling (30% compresión total)

• ALTERNATIVA → Análisis no lineal / limitación de la demanda

𝐶𝑜𝑚𝑝 = 1.2 + 0.2𝑆𝐷𝑆 𝐶𝑃 + 𝐶𝑉 + Ω0𝑆𝐻

𝑇𝑟𝑎𝑐 = 0.9 − 0.2𝑆𝐷𝑆 𝐶𝑃 − Ω0𝑆𝐻

Sistemas Sismorresistentes en Acero

SCBF – Pórticos Especiales con Arriostramiento Concéntrico

• Detallado especial → Criterio 2t

Sistemas Sismorresistentes en Acero

EBF – Pórticos con Arriostramiento Excéntrico

• Alta ductilidad y disipación de energía

• Respuesta → Flexión o Corte

• Buena rigidez → Buen desempeño frente a las derivas / más altura

• Mecanismo fusible → Cedencia de los enlaces

• Arquitectura → poco menos “desfavorable”

Sistemas Sismorresistentes en Acero

SCBF – Pórticos Especiales con Arriostramiento Concéntrico

• VIGAS (fuera del enlace) →Moderada Ductilidad / Flexo compresión

• RIOSTRA →Moderada Ductilidad / Flexo Compresión

• ENLACE → Alta Ductilidad / Flexión o Corte

• COLUMNAS → Alta Ductilidad / Flexo-compresión

• Punto Clave → Longitud del enlace (e) ecr = 2MP/VP

• Control de la rotación del enlace (0.02 ~0.08 rad) →empotramientos

Otros sistemas

BRB – Pórticos con Riostras de Pandeo Restringido

• Restricción del pandeo → Tubo metálico + mortero envolviendo la barra central

• Excelente Ductilidad y disipación de energía

• Alto costo (?)

Otros sistemas

SPSW – Muros Especiales con Placa de Acero

• Buena combinación entre rigidez y ductilidad

Otros sistemas

SISTEMAS MIXTOS Y/O OCMBINADOS

• Rigidez del concreto

• Flexibilidad y ligereza del acero

Otros sistemas

SPPEDCORE

• Velocidad!!!

https://www.aisc.org/why-steel/SpeedCore#40636

El uso de Aceros de Alta Resistencia (A913) en

Sistemas SismorresistentesHISTAR (High Strength ArcelorMittal Steel)

• Mediados de los años 1990 → innovación en el proceso de producción: el QST

• Proceso “In-Line”: laminación termo mecánica + templado y auto revenido

• Refino de la estructura de granos

• Alta Resistencia Mecánica

• Buena ductilidad, tenacidad y soldabilidad

QST (Quenching and Self-Tempering)

• Alta resistencia mecánica: grados 50, 60, 65, 70 y 80 ksi

• Buena soldabilidad: no es necesario soldar con precalentamiento, siempre y cuando electrodos con bajo hidrógeno (H8) sean utilizados

• Adecuada Tenacidad: ASTM A913 determina un nivel promedio mínimo de tenacidad CVN de 54J a temperatura de 21°C, lo que no es un requisito estándar en las normas ASTM A36, A572, ni en la A992

El uso de Aceros de Alta Resistencia (A913) en

Sistemas Sismorresistentes

MEJOR PERFORMANCE EN SISTEMAS TIPO SMF

• Criterio Columna fuerte-viga débil se vuelve más sencillo de cumplir

• Refuerza la aparición de la rotula plástica en la viga

• Mayor capacidad de carga axial en las columnas

• Reducción / eliminación de las “Doubler Plates” → planchas de refuerzo del alma en la Zona del Panel

• Eliminación del precalentamiento en soldaduras

• Ojo: max. Fy en columnas de sistemas sismorresistentes = 70 ksi

El uso de Aceros de Alta Resistencia (A913) en

Sistemas Sismorresistentes

MEJOR PERFORMANCE EN SISTEMAS TIPO SMF - RBS

• Reduced Beam Section (“Hueso de Perro”)

• Debilitamiento de la sección de la viga → forzar la aparición de la rotula plástica en la misma

• Rotula plástica a la mitad de la distancia “b”

• Disipación de energía con la falla de la viga y columnas siguiendo en el rango elástico

• Patentado por ArcelorMittal en 1989, con uso liberado tras el terremoto de Northridge

El uso de Aceros de Alta Resistencia (A913) en

Sistemas Sismorresistentes

MEJOR PERFORMANCE EN SISTEMAS DONDE EL CONTROL DE DERIVAS NO ES PROBLEMÁTICO

• Mayor capacidad de carga axial en las columnas

• Eliminación del precalentamiento en soldaduras

• Ojo: max. Fy en columnas de sistemas sismorresistentes = 70 ksi

El uso de Aceros de Alta Resistencia (A913) en

Sistemas Sismorresistentes

EJEMPLO

CONFIGURACIÓN 1: Sistema sismorresistente en pórticos tipo SMF en las dos direcciones con el uso de acero ASTM A992 (gr.50)CONFIGURACIÓN 2: Pórticos tipo SCBF en las dos direcciones utilizando acero ASTM A992 (gr.50) – en la dirección longitudinal, en ambas las fachadas y, transversalmente, a cada 2 ejesCONFIGURACIÓN 3: Misma configuración con relación a la anterior, pero utilizando acero ASTM A913 gr.65 para las columnas.

El uso de Aceros de Alta Resistencia (A913) en

Sistemas Sismorresistentes

EJEMPLO

• Bogotá / Colombia → Sismicidad Intermedia

• Suelo Tipo C

• Grupo II

El uso de Aceros de Alta Resistencia (A913) en

Sistemas Sismorresistentes

𝐼 = 1,10

0,000

0,100

0,200

0,300

0,400

0,500

0,600

0,000 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000

ESPECTRO DE ACELERACIONES

EJEMPLO

• Revisión de los resultados

El uso de Aceros de Alta Resistencia (A913) en

Sistemas Sismorresistentes

CONCLUSIONES

• Se observa que la posibilidad de utilización de sistemas de pórticos arriostrados trae un aporte de rigidez muy importante, controlando las derivas de manera eficiente y posibilitando un ahorro del orden de 23% en el peso de la estructura

• Los perfiles en acero ASTM A913 gr.65 son capaces de aumentar mucho la eficiencia de pórticos arriostrados – en el ejemplo que se ha presentado, se pudo observar un ahorro de 10% (peso global de la estructura) con respecto a la misma solución en acero gr.50.

El uso de Aceros de Alta Resistencia (A913) en

Sistemas Sismorresistentes

¡Muchas gracias por su atención!

INFORMACIÓN DE CONTACTO

Ing. Daniel Silvériodaniel.Silverio@arcelormittal.com.br+55 11 94511 6438São Paulo, Brasil

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