Diseo Sismorresistente de Estructuras de Acero

Ing. Jess M. Snchez +58 414 419 69 36

SOLUCIONES ESTRUCTURALES

Julio 2015

ASPECTOS GENERALES PARA EL DISEO DE

ESTRUCTURAS DE ACERO

NORMAS Y CODIGOS DE DISEO

ANSI/AISC 360-05/10

ANSI/AISC 341-05/10

ANSI/AISC 358-05/10

AISC LRFD-

AISC ASD-

Covenin 1756-

AISC Steel Design Guide (Second Edition)

Covenin 1618- ESTRUCTURAS DE ACERO PARA EDIFICACIONES.

DISEO DE ESTRUCTURAS DE ACERO

Las especificaciones para construcciones de acero vigentes en Estados Unidos de Amrica (AISC, 2010) consideran dos mtodos generales de diseo: el mtodo de las tensiones admisibles (ASD por las siglas de Allowable Strength Design), y el mtodo de factores de carga y resistencia (por las siglas de Load and Resistance Factor Design).

El mtodo ASD se basa en verificar que las tensiones inducidas en los elementos estructurales no excedan una tensin admisible, la cual resulta de dividir la resistencia del material (usualmente la tensin de fluencia Fy) por un factor de seguridad .

El mtodo de diseo LRFD se basa en la evaluacin de una serie de estados lmites, los cuales pueden definirse como una condicin, aplicable a toda la estructura o a uno de sus componentes, ms all de la cual no queda satisfecho el comportamiento requerido o esperado

Los Estados lmites del LRFD se dividen en dos grupos:

1.- Estados lmites de servicio

2.- Estados lmites de Resistencia (o ltimos)

Resistencia requerida

Ru (Demanda)

Resistencia de diseo,

Rd (Capacidad)

El mayor desafo en el diseo de estructuras de acero consiste en limitar o controlar los problemas de inestabilidad en miembros o zonas localizadas sometidas a compresin

Clasificacin de Secciones:

DISEO BASICO DE MIEMBROS

DE ACERO AISC 360-10

Ver otra presentacin Comportamiento de Miembros de Acero

DISEO SISMORRESISTENTE

DE ESTRUCTURAS DE ACERO

Puede decirse que las acciones se definen a partir de un espectro de diseo considerando el comportamiento lineal y elstico del sistema, que se reduce luego mediante el factor R, bajo la hiptesis de que la estructura dispone de adecuada capacidad de disipar energa y sobrerresistencia. Con la accin ssmica as definida se realiza el anlisis estructural con mtodos estticos o dinmicos, para determinar solicitaciones de diseo y desplazamientos. Los desplazamientos de diseo se obtienen mediante la amplificacin de los resultados del anlisis elstico.

El fenmeno ssmico es un problema netamente dinmico, si bien los primeros mtodos para su consideracin se basaron

en conceptos estticos.

Mtodo de las fuerzas estticas equivalentes

El efecto vibratorio del sismo se reemplaza por fuerzas laterales que, en general, siguen una distribucin creciente con la altura. El corte basal ssmico se determina a partir de un coeficiente ssmico

Mtodos dinmicos

En estos mtodos, y dependiendo del tipo de anlisis a realizar, el sismo se cuantifica a travs de un espectro de aceleraciones o mediante una serie de registros de aceleracin

Desde el punto de vista estructural, la aceleracin es uno de los parmetros ms importante para el diseo sismorresistente

En forma general, puede definirse espectro como un grfico de la respuesta mxima (expresada en trminos de desplazamiento, velocidad, aceleracin, o cualquier otro parmetro de inters) que produce una accin dinmica determinada en una estructura u oscilador de un grado de libertad.

El espectro de respuesta elstica representa el mximo de un parmetro de respuesta (aceleracin, desplazamiento, etc) para osciladores simples de un grado de libertad con un periodo de vibracin T y un amortiguamiento relativo para un terremoto dado.

Debido a que los espectros de respuesta representan el efecto de un solo registro de aceleracin, no pueden usarse para el diseo

Por esta razn, los reglamentos sismorresistentes utilizan espectros de diseo.

stos presentan dos caractersticas principales:

1.- Consideran la peligrosidad ssmica de una zona o regin

2.- Son curvas suavizadas

Desde hace ms de dos dcadas, se han desarrollado en Estados Unidos un procedimiento que permite definir los espectros de diseo a partir de lo que se denomina terremoto mximo considerado (MEC, maximum considered earthquake). ste no debe interpretarse como el mximo terremoto que puede ocurrir en una regin, sino como el mximo nivel de sacudimiento que se considera razonable para el diseo de estructuras

Los americanos definen El MEC mediante tres parmetros principales:

El espectro de diseo se determina considerando una reduccin de las aceleraciones espectrales de referencia para el terremoto mximo considerado, MCE, de modo que:

Como consecuencia de dividir por 2/3, se obtiene

un margen uniforme contra el colapso

El nivel de fuerza definido por el espectro de diseo se representa mediante el corte basal

LA NORMA VENEZOLANA 1756-01 ESTABLECE UN PROCEDIMIENTO PARA GENERAR UN ESPECTRO DE DISEO ADAPTADO A NUESTRO ENTORNO.

DISEO POR CAPACIDAD

El mtodo de diseo por capacidad se desarroll originalmente en Nueva Zelanda para estructuras de hormign armado. En la actualidad, es aceptado

internacionalmente y sus principios se aplican tambin al diseo de estructuras de acero.

El diseo por capacidad se basa en la formulacin de una Jerarqua en la resistencia de los componentes que

conforman el sistema estructural para permitir la formacin de un mecanismo de deformacin plstica (o mecanismo de

colapso); se evita as la ocurrencia de fallas frgiles. Para ello, se seleccionan ciertos componentes o zonas de la estructura sismorresistente, los cuales son diseados y

detallados para disipar energa en forma dctil y estable.

En estas zonas crticas, denominadas comnmente

plsticas y se evitan otros mecanismos de falla mediante un incremento de la resistencia asignada Todos los dems componentes se protegen de la

posibilidad de falla asignando una resistencia mayor que la correspondiente al desarrollo de la mxima resistencia esperada en las potenciales regiones de

plastificacin (Paulay y Priestley, 1992)

Las especificaciones AISC 341-10 incorporan los conceptos del diseo por capacidad para la verificacin de ciertos componentes, por ejemplo columnas, considerando las solicitaciones inducidas cuando se desarrolla el mecanismo de deformacin plstica. En otras palabras, esos componentes no se disean para resistir las solicitaciones inducidas por la accin ssmica de diseo sino las correspondientes al nivel de resistencia ltima de la estructura. Para ello se define un factor de sobrerresistencia del sistema estructural

FILOSOFA DEL DISEO SISMORRESISTENTE

Para las estructuras sismorresistentes la mayora de los cdigos establece requerimientos mnimos para asegurar la proteccin de la vida humana (esto es, evitar el colapso parcial o total) pero sin controlar el dao que puede resultar de la accin ssmica.

Las estructuras sismorresistentes, salvo casos especiales, se disean para responder en rango inelstico, de modo de desarrollar ductilidad y disipar energa durante la ocurrencia de un terremoto severo. Es importante recordar que el desarrollo de la ductilidad implica la ocurrencia de dao estructural, el cual resulta de la fluencia del acero y eventualmente de problemas de inestabilidad como el pandeo local.

A los efectos de que los costos de construccin sean aceptables, las fuerzas obtenidas a partir del espectro de diseo (espectro elstico) son reducidas mediante un factor de modificacin de respuesta, R, el cual considera principalmente el efecto de la ductilidad y la sobrerresistencia del sistema y puede expresarse como:

Sobreresistencia Estructural Ductilidad

H

H Ductilidad = Deformacin Inelstica

DUCTILIDAD: Capacidad de soportar deformaciones plsticas sin disminuir su capacidad resistente

H Ductilidad = Cedencia

Falla: Fractura o Inestabilidad

Ductilidad en Estructuras = CEDENCIA

Modos de Fallas no Dctiles : Fractura o Inestabilidad

El uso del factor de modificacin de respuesta simplifica el proceso de diseo, porque el ingeniero estructural slo debe realizar un anlisis elstico, an cuando la estructura se deforme en rango no lineal. Sin embargo, es importante resaltar que el anlisis elstico no permite evaluar adecuadamente los desplazamientos laterales, dado que los obtenidos por ese procedimiento ( e) son menores que los desplazamientos que se producirn en rango inelstico. Esta es la razn por la cual se considera un factor de amplificacin de desplazamientos

Puede concluirse que las acciones se definen a partir de un espectro de diseo considerando el comportamiento lineal y elstico del sistema (ver Figura 2-4, punto A), que se reduce luego mediante el factor R, bajo la hiptesis de que la estructura dispone de adecuada capacidad de disipar energa y sobrerresistencia. Con la accin ssmica as definida se realiza el anlisis estructural con mtodos estticos o dinmicos, para determinar solicitaciones de diseo y desplazamientos (punto B). Los desplazamientos de diseo se obtienen mediante la amplificacin de los resultados del anlisis elstico (punto C).

Filosofia del Diseo Estructural Sismo-resistente

Establecer un Diseo Por Capacidad: Limitar Mecanismos Frgiles y Propiciar Mecanismos Ductiles.

entrarn en cedencia durante un evento ssmico.

significativas y de disipar energa durante un evento ssmico.

Disear el resto de los elementos del sistema resistente a sismo con la condicin de que permanezcan en el rango elstico al presentarse las fallas ductiles (Rtulas

capacidad inelstica esperada de los mismos.

Las conexiones del resto de los elementos del sistema resistente a sismo deben ser diseadas para las fuerzas que se producen al presentarse las fallas ductiles

COMBINACIONES DE CARGA

HIPTESIS DE SOLICITACIONES PARA EL ESTADO LMITE DE AGOTAMIENTO RESISTENTE

COVENIN 1618-98

MTODOS DE ANLISIS

El primer mtodo aplicado fue el de las fuerzas estticas equivalentes, en el cual el efecto dinmico de la accin ssmica se representa en forma simplificada mediante fuerzas laterales. Este criterio an se aplica en la actualidad para construcciones de baja o mediana altura con caractersticas de regularidad estructural en planta y en elevacin.

El segundo procedimiento es el mtodo de anlisis modal espectral que considera la naturaleza dinmica del problema.

Ciertos Cdigos permiten tambin realizar anlisis dinmicos inelsticos, es decir, considerando el comportamiento real de la estructura. Sin embargo, la complejidad del anlisis y la interpretacin de los resultados son significativamente mayores, por lo cual este procedimiento debera ser aplicado solo por diseadores con experiencia y conocimientos profundos de la dinmica no lineal.