diseño sismo-resistente en acero

Diseño Sismo-Resistente en Acero

ANSI/AISC 360-05 “Specification for Structural Steel Buildings”

Normas y Códigos de Diseño de Estructuras de Acero

ANSI/AISC 341-05 “Seismic Provisions for Structural Steel Buildings”

ANSI/AISC 358-05 “Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications”

AISC LRFD-99 “Load Resistance Factor Design”

AISC ASD-01 “Allowable Stress Design”

AISC – Steel Design Guide (Second Edition)


Normas y Códigos de Diseño de Estructuras de Acero

FEMA 350Recommended Seismic Design Criteria for New Steel Moment-Frame Buildings

FEMA 351Recommended Seismic Evaluation and Upgrade Criteria for Existing Welded Steel Moment-Frame Buildings

FEMA 352Recommended Postearthquake Evaluation and Repair Criteria for Welded Steel Moment-Frame Buildings

FEMA 353Recommended Specifications and Quality Assurance Guidelines for Steel Moment-Frame Construction for Seismic Applications


Filosofia del Diseño Estructural Sismo-resistente Establecer un Diseño Por Capacidad: Limitar Mecanismos Frágiles y

Propiciar Mecanismos Ductiles.

Elegir y establecer el patron de falla adecuado de los elementos “Fusibles” que entrarán en cedencia durante un evento sísmico.

Los elementos “Fusibles” deben ser capaces de desarrollar incursiones inelásticas significativas y de disipar energía durante un evento sísmico.

Diseñar el resto de los elementos del sistema resistente a sismo con la condición de que permanezcan en el rango elástico al presentarse las fallas ductiles (Rótulas plásticas) esperadas en los “Fusibles”.

Las Conexiones de los elementos “Fusibles” deben ser diseñadas en función a la capacidad inelástica esperada de los mismos.

Las conexiones del resto de los elementos del sistema resistente a sismodeben ser diseñadas para las fuerzas que se producen al presentarse las fallas ductiles (Rótulas plásticas) esperadas en los “Fusibles”


Casos y Combinaciones de Carga

(1) 1.4 CP(2) 1.2 CP + 1.6 CV + 0.5 CVt(3) 1.2 CP + 1.6 CVt + 0.5 CV (4) 1.2 CP + 0.5 CV + 1.0 Eb

(5) 0.9 CP + 1.0 Eb

(6) 1.2 CP + 0.5 CV + 1.0 Ea

(7) 0.9 CP + 1.0 Ea

CP : Carga PermanenteCV: Carga VariableCVt: Carga Variable de TechoEb: Acción sísmica BásicaEa: Acción Sísmica Amplificada

Combinaciones para el Diseño de los Elementos Fusibles.

Combinaciones para el Diseño del Resto de los elementos que conforman el sistema resistente a sismo

Casos de Carga


Acción Sísmica

Eb = ρ QE 0.2 SDS CP

QE = Carga Sísmica Horizontal

SDS = Aceleración del espectro de diseño para períodos cortos

CP = Carga Permanente.

ρ = reliability factor que varia de 1.00 a 1.50 (Depende de la Redundacia estructural “Hiperestaticidad”)

Ωo = Factor de Sobre-resistencia Sísmica (Depende del Sistema Estructural)

Ea = Ωo QE 0.2 SDS CP

Efecto de Fuerzas Horizontales

Efecto de Fuerzas Verticales

E


Acción Sísmica en Combinaciones de Carga

Para la Combinación (4): 1.2 CP + 0.5 CV + 1.0 Eb

Se tiene que: Eb = ρ QE + 0.2 SDS CP

Para la Combinación (5): 0.9 CP + 1.0 Eb

Se tiene que: Eb = ρ QE - 0.2 SDS CP

(1.2 + 0.2 SDS) CP + 0.5 CV + 1.0 ρ QE

(0.9 - 0.2 SDS) CP + 1.0 ρ QE


Acción Sísmica en Combinaciones de Carga

Para la Combinación (6): 1.2 CP + 0.5 CV + 1.0 Ea

Se tiene que: Ea = Ωo QE + 0.2 SDS CP

Para la Combinación (7): 0.9 CP + 1.0 Ea

Se tiene que: Ea = Ωo QE - 0.2 SDS CP

(1.2 + 0.2 SDS) CP + 0.5 CV + 1.0 Ωo QE

(0.9 - 0.2 SDS) CP + 1.0 Ωo QE


Factor de Amplificación Sísmica

Tipos de Sistema Ωo

Moment Resistance Frames (SMF, IMF, OMF)

Special Truss Moment Frames (STMF)

Concentrically Braced Frames (SCBF, OCBF)

Eccentrically Braced Frames (EBF)

Special Plate Shear Walls (SPSW)

Buckling Restrained Braced Frames (BRBF)

Conexiones Viga-Columna resistentes a Momentos

Conexiones Viga-Columna No resistentes a Momentos

3

2

2

2

2

2.5

2


Carga Sísmica Amplificada

Desplazamiento Lateral de la Estructura

Qe

Ωo Qe

La Carga Sísmica Amplificada, ΩoQe, se utiliza para estimar las fuerzas que ocurren en cada uno de los elementos que conforman el sistema resistente a sismo, para cuando los “fusibles” de la estructura incursionan en el rango inelástico


Hot-Rolled Shapes and Bars:

ASTM A36 1.5 1.2

ASTM A572 Gr 42 1.1 1.1

ASTM A992; A572 Gr 50 or Gr 55;ASTM A913 Gr 50, 60 or 65; ASTM A588;A1011 HSLAS Gr 50 1.1 1.1

ASTM A529 Gr 50 1.2 1.2

ASTM A529 Gr 55 1.1 1.2

Hollow Structural Sections (HSS):

ASTM A500 Gr B or Gr C; ASTM A501 1.4 1.3

Pipe:

ASTM A53 1.6 1.2

Plates:

ASTM A36 1.3 1.2

ASTM A572 Gr50; ASTM A588 1.1 1.2

Acero Estructural Ry Rt


Factores de Sobre-resistencia

Ry: Factor Mínimo de Sobre-resistencia Cedente

Rt : Factor Mínimo de Sobre-resistencia Ultima

Esfuerzos Esperados

Esfuerzo Cedente Esperado = Ry Fy

Esfuerzo Ultimo Esperado = Rt Fu

Los esfuerzos esperados (Rt Fu) y (Ry Fy) son utilizados para establecer las fuerzas de diseño de las conexiones del sistema resistente a sismos.


• Sistema de Vigas y Columnas con conexiones resistentes a momentos.

• Comportamiento a flexión y corte en Vigas y Columnas.

1.1 Caracteristicas.

1.- Porticos Resistentes a Momentos (MRF)


1.- Porticos Resistentes a Momentos (MRF)1.2 Respuesta Estructural ante Sismos.

M V


• Sistema capaces de desarrollar ductilidad, disipación de Energía e incursiones inelásticas significativas.

• Sistemas con muy poca rigidez elástica.

• Los mecanismos que pueden presentarse son:

Cedencia por Flexión en las Vigas.Cedencia por Corte en la Zona del panel.Cedencia por Flexión y Fuerza Axial en Columnas.

1.3 Desempeño Estructural.Zona del Panel(Cedencia por Corte)

Viga(Cedencia por Flexión)

Columna(Cedencia por Flexion y Fuerza Axial)

Posible Ubicación de Rótulas Plasticas



• Para lograr una buena ductilidad y disipación de energía es necesario que se presente el mecanismo de rótulas plásticas por flexión en Vigas.

• De presentarse rótulas plásticas en columnas podria generarse un entrepiso débil y con ello provocar el colapso de la estructura.

h

L

Rótulas Plásticas



1.4 Clasificación según su nivel de Desempeño sismorresistente.

1.4.1 Special Moment Frames (SMF). Pórticos Especiales a Momento.

1.4.2 Intermediate Moment Frames (IMF). Pórticos Intermedios a Momento.

1.4.3 Ordinary Moment Frames (OMF). Pórticos Intermedios a Momento.


• Sistemas capaces de desarrollar incursiones inelásticas Significativas, de manera estable.

• Sistemas capaces de desarrollar incursiones inelásticas Moderadas, de manera estable.

• Sistemas con una capacidad inelástica muy Limitada. Su desempeño esta basado en el rango elástico.


Porticos Especiales de Momento (SMF)a) Limitaciones en Vigas. (9.4 AISC Seismic Provisions )

y

s

f

f

FE30.0

t2b

Alas de Vigas Alma de Vigas

y

s

w FE

45.2th

≤

bf

tf

h

tw

a.1) Relación Ancho-Espesor: Las secciones deben ser Compactas Sísmicas (ps), a fin de limitar el pandeo local.

a.2) Alas de Vigas: No se permite alterar las alas de las vigas en la zona de rótulas plásticas, a menos que se demuestre a través de ensayos calificados que la misma puede lograr en dicha región incursiones inelásticas estables.


bf

t f

h

tw

y

s

f

f

FE30.0

t2b≤

125.0P

P

y

u ≤

y

u

y

s

w PP54.11

FE14.3

th

≤

y

s

y

u

y

s

w FE49.1

PP33.2

FE12.1

th

Alas de Columnas

125.0P

P

y

u

Alma de Columnas

b) Limitaciones en Columnas. (9.4 AISC Seismic Provisions )

b.1) Relación Ancho-Espesor: Las secciones deben ser Compactas Sísmicas (ps), a fin de limitar el pandeo local.

Porticos Especiales de Momento (SMF)


Lb = Distancia entre arriostramientos laterales

ry = Radio de Giro Menor

Arriostramientos Laterales

Lb Lb

c) Arriostramiento Lateral de Vigas (9.8 AISC Seismic Provisions )

Las Alas de las Vigas del sistema resistente a sismos deben estar debidamente arriostradas lateralmente para controlar el pandeo lateral torsional de las mismas.

rFE086.0L y

yb

Pandeo Lateral Torsional



Lb

Arriostramiento Lateral

Ambas Alas Soportadas Lateralmente

Viga del Sistema Resistente a

Sismos (SMF)



d) Planchas de Continuidad (9.5 AISC Seismic Provisions )

d.1) En las Uniones Viga-Columna deben incorporarse planchas de continuidad de conformidad a las conexiones precalificadas utilizadas y siguiendo los parámetros mínimos que se describen a continuación:

tcp

tbf

tcp ≥ 1/2 tbf

tcp

tbf-2tbf-1

tcp ≥ Mayor Valor entre (tbf-1 y tbf-2 )



d) Planchas de Continuidad (9.5 AISC Seismic Provisions )

d.2) Podrian Omitirse las Planchas de Continuidad si se presentan las siguientes condiciones:

.- Si al Realizar el Análisis y Diseño de la Conexión Precalificada, no son requeridas las planchas de continuidad para las fuerzas concentradas en la Columna debido a los Momentos Máximos probables provenientes de las vigas.

ycyc

ybybbfbfcf FR

FRtb8.14.0t

.- Si se cumple que:

6bt bf

cf

tcf = Espesor del Ala de la Columna

bbf = Ancho del Ala de la Viga

tbf = Espesor del Ala de la Viga

Ryb = Factor de sobre-resistencia en Vigas

Ryc = Factor de sobre-resistencia en Columnas



e) Relación de Momentos Columna-Viga (9.6 AISC Seismic Provisions )

e.1) Para establecer un Criterio Columna Fuerte – Viga Débil, debe cumplirse en cada junta la Relación de Momentos presentada, salvo algunas excepciones.

0.1MM

*pb

*pc

De no cumplirse la relación de momentos presentada podria generarse un Mecanismo de colapso de piso al desarrollarse rótulas plásticas en columnas del mismo nivel.



e) Relación de Momentos Columna-Viga (9.6 AISC Seismic Provisions )

*pcM Sumatoria de las resistencias teóricas a flexión plástica de las

columnas incluyendo la reducción de la carga axial mayorada, ubicadas en los extremos (superior e inferior) de las conexiones a momentos de las vigas, proyectadas sobre en el punto de intersección de los ejes baricéntricos de vigas y columnas que concurren al nodo.

*pbM Sumatoria de las resistencias esperadas a flexión ubicadas en las rótulas

plásticas de las vigas, proyectadas sobre el punto de intersección de los ejes baricéntricos de las vigas y las columnas que concurren al nodo.

e.2) Definición de Momentos Máximos Probables en Vigas y Columnas.



CL

C VigaL

Columna

M*pc-Superior

M*pc-InferiorM*pb-Izquierda

M*pb-Derecha

∑M*pc = M*pc-Superior + M*pc-Inferior

∑M*pb = M*pb-Izquierda + M*pb-Derecha

e.3) Momentos de Vigas y Columnas en el punto de Intersección de sus ejes baricéntricos.



Mpr-Der.Mpr-Izq.

Vuv (Der.)

Vuv (Izq).

Viga Izq.Viga Der.

Rótula Plástica

Rótula Plástica

sh+dcol/2

M*pb-Izq. M*pb-der.

sh+dcol/2

M*pb = Mpr + Vuv (sh + dcol /2 )

dcole.4) Cálculo de M*pb

sh

Sh : Distancia donde ocurre la rótula plástica, medida desde la cara de la columna (Depende de la Conexión Utilizada)

sh

Mpr : Resistencia Esperada a Flexión actuando en la rótula plástica de la viga

Vuv : Resistencia Esperada a Corte actuando en la rótula plástica de la viga



e.5) Definición de Mpr y Vuv

Lh

Q = (1.2 CP + 0.5 CV )

Vuv = (2 Mpr / Lh ) + Vg

Vuv Vuv

Rótula Plástica

Mpr = 1.1Ry Mp = 1.1Ry Zb Fyb

Vg = QLh / 2

sh sh

Mpr Mpr



Columna Superior.

Mpc-Sup.

M*pc = Mpc + Vuc ( dviga /2 )

dviga

e.6) Cálculo de M*pc

Mpc : Resistencia Teórica a Flexión de la Columna incluyendo la Carga Axial Mayorada.

Vuc : Resistencia Esperada a Corte de la Columna actuando en la cara de la viga

Columna Inferior.

M*pc-Sup.

M*pc-Inf.

Mpc-Inf.

Vuc superior

Vuc inferior



e.7) Definición de Mpc y Vuc

Mpc = Zc ( Fyc - Puc /Ag ) Vuc = (2 Mpc / Lv )

Lv : Luz libre de la Columna

Mpc

Mpc

Vuc

Vuc

Punto de Inflexión.

Puc


Puc : Carga Axial Mayorada actuando en la columna.Ag : Area gruesa de la columna.

Lv



f) Conexiones Viga-Columna (9.2 AISC Seismic Provisions )

f.1) Las Conexiones Viga-Columna del sistema resistente a sismo tipo “SMF” deben satisfacer los siguientes requisitos:

.- Deben ser capaces de desarrollar una deriva de piso “ ” (rotación plástica) igual o mayor a 0.04 rad.

.- Deben ser diseñadas de acuerdo a la Resistencia Esperada a Flexión de la Viga Conectada en la cara de la columna. Ademas, las conexiones deben desarrollar como mínimo un Momento Resistente igual a 0.80Mp de la viga conectada, para una deriva de piso “ ” (rotación plástica) de 0.04 rad.

.- Deben ser diseñadas a corte considerando el desarrollo de rótulas plásticas en los extremos de la viga conectada:

Vuv = (2 Mpr / Lh ) + VgDonde:

Mpr = 1.1 Ry Mp = 1.1 Ry Zb Fyb (Momento máximo esperado en la Viga)

Lh = Longitud entre rótulas plásticas

Vg = Corte proveniente de las cargas gravitacionales mayoradas



-40000

-30000

-20000

-10000

0

10000

20000

30000

40000

-0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08

Deriva de Piso (rad)

Mom

ento

de

la V

iga

en la

Car

a de

la C

olum

na (i

n-ki

ps)

0.8 Mp

- 0.8 Mp

M0.04 0.8 Mp

M0.04 0.8 Mp

.- Despues de completar al menos un ciclo de carga con 0.04 radianes, la resistencia a flexión medida en la cara de la columna, debe ser al menos 0.80 Mp de la viga conectada. A continuación se presenta el Ciclo de Histéresis Típico Esperado.



Δ

Hcolumna

Deriva de Piso

ΔHcolumna

=

Carga Cíclica



f) Conexiones Viga-Columna (9.2 AISC Seismic Provisions )

f.2) Deben Utilizarse Conexiones Precalificadas ANSI/AISC 358 “Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications"

• Viga de Sección Reducida (RBS)

• Conexión con Plancha Extrema (End Plate)

De 4 Pernos por Ala “No rigidizada” (4E)

De 4 Pernos por Ala “Rigidizada” (4ES)

De 8 Pernos por Ala “Rigidizada” (8ES)



• Conexión con Plancha Extrema (End Plate). 6.2 AISC “Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications"

f) Conexiones (9.2 AISC Seismic Provisions )



Ejemplos de Conexiones con Plancha Extrema



• Conexión con Viga de Sección Reducida (RBS). 6.2 AISC “Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications"

f) Conexiones (9.2 AISC “Seismic Provisions” )

Sección Reducida



Ejemplos de Conexiones con Viga de Sección Reducida (BRS)



g) Conexiones Viga-Columna con Arriostramiento Lateral(9.7a AISC Seismic Provisions )

g.1) En las conexiones Viga – Columna del sistema resistente a sismo tipo “SMF”, las alas de la columna se podrán arriostrar lateralmente solo en el nivel de las alas superiores de las vigas, cuando se demuestre que fuera de la zona del panel, la columna permanece elástica. Se considera que la columna permanece elástica cuando la relación de Momentos Columna/Viga es mayor que 2.00

0.2MM

*pb

*pc



g.2) Si la relación de Momentos Columna/Viga es menor a 2.00, se aplicarán las siguientes disposiciones:

Las alas de la columna estarán soportadas lateralmente al nivel de ambas alas de las vigas.

El soporte lateral de cada ala de columna se diseñará para una solicitación mayorada igual al dos por ciento (2 %) de la resistencia teórica del ala de la viga (Fyb bf tf ).

Las alas de la columna se soportarán lateralmente, directa o indirectamente, por medio del alma de la columna o de las alas de las vigas perpendiculares.

g) Conexiones Viga-Columna con Arriostramiento Lateral(9.7a AISC Seismic Provisions )



h.1) Las columnas con conexiones Viga-Columna sin soporte lateral en la dirección transversal al del pórtico sísmico, se diseñarán utilizando la distancia entre los soportes laterales adyacentes como la altura de la columna para efectos del pandeo en dicha dirección. El diseño se realizará de acuerdo con el Capítulo (H) de la Norma ANSI/AISC 360-05 “Specification for Structural Steel Buildings”, excepto que:

h.1.1) La solicitación mayorada sobre la columna se calculará para las combinaciones de cargas establecidas, siendo la acción sísmica S el menor valor entre:

La fuerza sísmica amplificada Ωo SH ,donde SH representa la componente horizontal de la fuerza sísmica.

Ciento veinticinco por ciento (125 %) la resistencia minorada del pórtico, calculadacomo la resistencia minorada a flexión de la viga o la resistencia minorada a cortede la zona del panel.

h) Conexiones Viga-Columna sin Arriostramiento Lateral(9.7b AISC Seismic Provisions )



h.1.2) Para estas columnas, la relación de esbeltez L/r no excederá de 60.

h.1.3) En dirección transversal al pórtico sísmico, el momento mayorado en la columna deberá incluir el momento generado por la fuerza en el ala de la viga, como se especifica en la sección 9.7a, más el momento de segundo orden que resulta del desplazamiento del ala de la columna.

h) Conexiones Viga-Columna sin Arriostramiento Lateral(9.7b AISC Seismic Provisions )



I) Zona del Panel (9.3 AISC Seismic Provisions )

i.1) Distribución de Fuerzas en la Zona del Panel (Junta Viga-Columna)



Mpr-Der.Mpr-Izq.

Vuv (Der.)

Vuv (Izq).

Viga Izq.Viga Der.

Rótula Plástica

Rótula Plástica

Mf1. Mf2

Mf = Mpr + Vuv x sh

dcoli.2) Cálculo de Mf

sh

Sh : Distancia donde ocurre la rótula plástica, medida desde la cara de la columna (Depende de la Conexión Utilizada)

sh

Mpr : Resistencia Esperada a Flexión actuando en la rótula plástica de la viga

Vuv : Resistencia Esperada a Corte actuando en la rótula plástica de la viga

Mf : Resistencia Esperada a Flexión actuando en la cara de la Columna



i.3) Definición de Mpr y Vuv

Lh

Q = (1.2 CP + 0.5 CV )

Vuv = (2 Mpr / Lh ) + Vg

Vuv Vuv

Rótula Plástica

Mpr = 1.1Ry Mp = 1.1Ry Zb Fyb

Vg = QLh / 2

sh sh

Mpr Mpr



i.4) Definición de Mpc y Vuc

Mpc = Zc ( Fyc - Puc /Ag ) Vuc = (2 Mpc / Lv )


Mpc

Mpc

Vuc

Vuc

Punto de Inflexión.

Puc


Puc : Carga Axial Mayorada actuando en la columna.Ag : Area gruesa de la columna.

Lv



j) Zona del Panel (9.3 AISC Seismic Provisions )

j.1) Diseño de la Zona del Panel (Junta Viga-Columna)

ucfb

fu V

td

MR

Ru v Rv donde v = 1.0

Resistencia Requerida por Corte

Resistencia Nominal basada en el estado límite de cedencia por Corte J10.6 AISC “Specification for Structural Steel Buildings”




Cuando Pu 0.75 Py en la Columna:

pcb

2cfcf

pcyv tddtb31tdF6.0R (AISC Spec EQ J10-11)

j.2) Definición de Rv (Resistencia a Corte)

y

u

pcb

2cfcf

pcyv PP2.19.1

tddtb31tdF6.0R

Cuando Pu > 0.75 Py en la Columna (No Recomendado):

(AISC Spec EQ J10-12)

Pu : Carga Axial Mayorada actuando en la zona del Panel




j.3) Parámetros de la Zona del Panel

dc = Altura de la Columna

db = Altura de la Viga

bcf = Ancho del Ala de la Columna

tcf = Espesor del Ala de la Columna

Fy = Resistencia Cedente de la Columna

Ag = Area Gruesa de la Columna

tp = Espesor Total del Alma de la Columna, incluyendo las planchas adosadas de refuerzo

Py = Fy Ag

db

dc

tcf

bcf

tp

Zona del Panel



j) Zona del Panel (9.3 AISC Seismic Provisions)

j.4) Incorporación de planchas refuerzo en el alma de columnas en la zona del panel.

Si Ru > v Rv Requiere planchas de refuerzo

planchas de refuerzo adosadas al alma

Tipo 1 Tipo 2



2.- Porticos con Arriostramientos Concéntricos (CBF)

• Sistema de vigas, columnas y arriostramientos concéntricos.

• Sistemas con desarrollo de deformaciones y fuerzas axiales significativas.



2.2 Tipos de Sistemas Concéntricos.

V-Invertida

X (1 piso)

VSimple

X (2 Pisos)



2.2 Tipos de Sistemas Concéntricos.



2.3 Respuesta Estructural ante Sismos.Tr

acci

ónC

ompresión



• Sistemas capaces de desarrollar ductilidad, disipación de Energía e incursiones inelásticas moderadas.

• Sistemas con una gran rigidez elástica.

• Los mecanismos que pueden presentarse son:

Cedencia en los arriostramientos en Tracción.Pandeo en los arriostramientos en Compresión.

2.4 Desempeño Estructural.

TracciónCompresión

Tracción Compresión



2.5 Diagrama de Histéresis de un Arriostramiento Concéntrico.

P

Tracción

Compresión

AlargamientoAcortamiento

P

Esquema General




P

Tracción

Compresión


PPC1

1. Representa la capacidad a compresión definida por el pandeo del elemento.

Primera Fase: Se carga axialmente el elemento a Compresión.




P

Tracción

Compresión


PC1

2

1. Representa la capacidad a compresión definida por el pandeo del elemento.

2. Representa la resistencia remanente a compresión (Post-Pandeo). Se genera una rótula plástica en el centro del elemento

PΔ

Rótula Plástica

Primera Fase: Se carga axialmente el elemento a Compresión.




P

Tracción

Compresión


PC1

2

3. Representa la deformación (acortamiento) remanente del elemento generada al superar su capacidad elástica a compresión.

Segunda Fase: Se descarga axialmente el elemento (P = 0)

3




P

Tracción

Compresión


PC1

2

4. Representa la capacidad cedente del elemento a tracción.

Tercera Fase: Se carga axialmente el elemento a tracción.

3

4Py

P




P

Tracción

Compresión


PC1

2

5. Representa la deformación (alargamiento) remanente en el elemento al superar la capacidad elástica.

Cuarta Fase: Se descarga axialmente el elemento (P = 0)

3

4Py

5




P

Tracción

Compresión

Alargamiento

Acortamiento

PC1

2

6. Representa la capacidad a Compresión “Reducida” por el primer ciclo.

7. Representa la capacidad a compresión para cuando se forma nuevamente la rótula plástica en el medio del elemento.

Quinta Fase: Se carga axialmente el elemento a compresión (Segundo Ciclo).

3

4Py

5

67

P

Rótula Plástica



2.6 Clasificación según su nivel de Desempeño sismorresistente.

2.6.1 Special Concentrically Braced Frames (SCBF). Pórticos Especiales de arriostramientos Concéntricos.

2.6.2 Ordinary Concentrically Braced Frames (OCBF). Pórticos Ordinarios de arriostramientos Concéntricos.


• Sistemas capaces de desarrollar incursiones inelásticas Moderadas, de manera estable.

• Sistemas con una capacidad inelástica muy Limitada. Su desempeño esta basado en el rango elástico.


Porticos Especiales de arriostramientos Concéntricos (SCBF)a) Limitaciones en Miembros. (13.2 AISC Seismic Provisions )

y

s

f

f

FE30.0

t2b

Alas de arriostramientos

Alma de arriostramientos

y

s

w FE

45.2th

≤

bf

tf

h

tw

a.1) Relación Ancho-Espesor en arriostramientos (13.2.d AISC S-P).Las secciones deben ser Compactas Sísmicas (ps), a fin de limitar el pandeo local.


a) Limitaciones en Miembros. (13.2 AISC Seismic Provisions )

a.2) Relación Ancho-Espesor en Columnas (13.2.d AISC S-P).Las secciones deben ser Compactas Sísmicas (ps), a fin de limitar el pandeo local.

t f

h

tw

y

s

f

f

FE30.0

t2b≤

125.0P

P

y

u ≤

y

u

y

s

w PP54.11

FE14.3

th

≤

y

s

y

u

y

s

w FE49.1

PP33.2

FE12.1

th

Alas de Columnas

125.0P

P

y

u

Alma de Columnas

bf

Porticos Especiales de arriostramientos Concéntricos (SCBF)



a.3) Resistencia Esperada en Arriostramientos (13.2.b AISC S-P).

P

P

Pmax = PyResistencia Esperada

Pmax = Ry Fy Ag

a.3.1) Arriostramientos a Tracción




a.3) Resistencia Esperada en Arriostramientos (13.2.b AISC S-P).

a.3.2) Arriostramientos a Compresión

P

Pc

Resistencia Esperada

Pc = 1.1 Ry Pn

( Pn = Ag Fcr )

Take Presidual = 0.3 Pn

P

Presidual 0.3 Pn

Porticos Especiales de Arriostramientos Concéntricos (SCBF)



a.4) Esbeltez en Diagonales (13.2.a AISC S-P).Los arriostramientos deben tener una relación de esbeltez muy controlada, a fin de limitar el pandeo local.

200r

KLFE4

y

Relación de Esbeltez Máxima Aplicable si se cumple la Condición “A” o la Condición “B”

rKL

FE4

y

Relación de Esbeltez Máxima Aplicable sólo si se cumple con la Condición “B”




Condición A:

La resistencia disponible de las columnas debe ser igual o mayor a la demanda impuesta en las mismas, considerando la Amplificación de la fuerza sísmica condicionada por el factor “Ωo”

Ω0 QE - Pgrav 2

T

C

T

T

C

C Ω0 QE + Pgrav 1

Pgrav 1 : [ (1.2 + 0.2SDS) CP + 0.5CV ]

Pgrav 2 : (0.9 - 0.2SDS) CP

Ω0 = 2QE : Acción Sísmica




Condición B:

La resistencia disponible de las columnas debe ser igual o mayor a la demanda impuesta en las mismas, considerando en el equilibrio del pórtico, la resistencia esperada en cada uno de los arriostramientos condicionada por el factor “Ry” a tracción y el efecto de post-pandeo a compresión.

Ry Fy Ag

Ry Fy Ag

Ry Fy Ag

0.3 Pn

0.3 Pn

0.3 Pn

(Resistencia Axial a Compresión Requerida en Columnas)[ (Ry Fy Ag ) cos + (0.3 Pn) cos ] + Pgrav

Donde:

Pgrav : [ (1.2 + 0.2SDS) CP + 0.5CV ]




Condición B:La resistencia disponible de las columnas debe ser igual o mayor a la demanda impuesta en las mismas, considerando en el equilibrio del pórtico, la resistencia esperada en cada uno de los arriostramientos condicionada por el factor “Ry” a tracción y el efecto de post-pandeo a compresión.

(Resistencia Axial a Tracción Requerida en Columnas)

[ (Ry Fy Ag ) cos + (0.3 Pn) cos ] - Pgrav

Donde:

Pgrav : (0.9 - 0.2SDS) CP

Ry Fy Ag

0.3 Pn

Ry Fy Ag

Ry Fy Ag

0.3 Pn

0.3 Pn




a.5) Distribución de Fuerzas Laterales (13.2.c AISC S-P).

Los arriostramientos se dispondrán a lo largo de cualquier línea resistente en direcciones alternadas, en forma tal que para cualquier dirección de la fuerza, paralela al arriostramiento, por lo menos un treinta por ciento (30%), pero no más del setenta por ciento (70 %), de la fuerza horizontal total, sea resistida por los arriostramientos traccionados, a menos que la resistencia teórica Nt , de cada arriostramiento comprimido sea mayor que la solicitación mayorada que resulta al aplicar las combinaciones que incluyen la carga sísmica amplificada a través del factor Ω0.

La disposición debe ser alternante a fin de obtener una respuesta estructural estable y similar, en ambos sentidos de la acción sísmica.

Se define como línea de arriostramiento, una línea única o líneas paralelas que no se desvíen en planta más de un diez por ciento (10 %) de la dimensión de la edificación perpendicular a la línea de arriostramiento.





Disposición Correcta de Arriostramientos debido a

que hay una adecuada proporcionalidad de

miembros a compresión y a tracción.

Disposición Incorrecta de Arriostramientos debido a que

todos los miembros estan a compresión.

( Arriostramientos “Alternados” )

Linea Resistente

Linea Resistente

(Arriostramientos orientados en una sola Dirección)





BySx

L

Los ejes 1 y 2 pertenecen a una misma línea de arriostramiento siempre y cuando la distancia “L” entre ellos sea menor o igual al 10% del ancho (By) de la planta.

Arriostramientos



b) Resistencia Requerida en Conexiones de Arriostramientos. (13.3 AISC Seismic Provisions )

b.1) Resistencia Requerida a Tracción (13.3.a AISC S-P).

La solicitación en las Conexiones de Arriostramientos, incluyendo las uniones Viga-Columna que son parte del sistema de arriostramiento, deberá ser el menor de los siguientes valores:

b.1.1) La Resistencia Teórica Esperada en el Arriostramiento.

Pt = Ry Fy Ag

b.1.2) La fuerza máxima que el sistema puede transferir al arriostramiento obtenida del análisis “No Lineal”

Caso Recomendado

Porticos Especiales de arriostramientos Concéntricas (SCBF)



b.1) Resistencia Requerida a Tracción (13.3.a AISC S-P).

Pt = Ry Fy Ag




b.2) Resistencia Requerida a Flexión (13.3.b AISC S-P).

.- Para arriostramientos “Empotrados”, las rótulas plásticas a flexión se forman en el centro y en los extremos del Miembro. Esto genera que los arriostramientos transmitan momentos a la conexión y a los miembros unidos a la misma.

Rótulas Plásticas

P

MM

M = 1.1 Ry Mp = 1.1 Ry Fy Z Arriostramiento (Respecto al eje de Pandeo)

P





1.1 Ry Mp-diagonal



b.2) Resistencia Requerida a Flexión (13.3.b AISC S-P).

.- Para arriostramientos “Articulados”, las rótulas plásticas a flexión se forman sólo en el centro del Miembro. Esto genera que los arriostramientos No transmitan momentos a la conexión y a los miembros unidos a la misma.

P

P

Rótula Plástica

P

P




b.3) Resistencia Requerida a Compresión (13.3.c AISC S-P).

.- La resistencia requerida a compresión de la conexión deber ser igual o mayor a la resistencia máxima esperada a compresión del arriostramiento.

Pc = 1.1 Ry Pn



Disposición General de una Conexión Articulada.


2t

Plancha Nodo “Gusset Plate”


Ejemplo de Conexion Articulada.


> 2t

Plancha Nodo “Gusset Plate”


Conexiones con Angulos



c) Requerimientos Especiales en Configuraciones de Arriostramientos. (13.4 AISC Seismic Provisions )

c.1) Arriostramientos Tipo V y Tipo V “Invertida” (13.4.a AISC S-P).

Tipo “V” Tipo “V-Invertida”





c.1.1) La resistencia requerida de las vigas intersectadas por los arriostramientos, sus conexiones y miembros de soporte, deberá ser determinada de acuerdo a las combinaciones de carga aplicables para el diseño de edificaciones, considerando que los arriostramientos no generan soporte a las vigas para las cargas gravitacionales (permanentes y variables). Para las combinaciones que incluyen la carga Sísmica “E” amplificada, la misma se calculará considerando lo siguiente:

Fuerza en Arriostramientos a Tracción Ry Fy Ag

Fuerza en Arriostramientos a Compresión 0.3 Pn




c.1) Arriostramientos Tipo V y Tipo “V-Invertida” (13.4.a AISC S-P).

Ry Fy Ag

0.3 Pn

Pgrav = ( 1.2 + 0.2 SDS ) CP + 0.5 CV

( Ry Fy Ag - 0.3 Pn ) sen

( Ry Fy Ag + 0.3 Pn ) cos

Pgrav = ( 1.2 + 0.2 SDS ) CP + 0.5 CV

c.1.2) Distribución de Fuerzas en el Sistema Viga-Arriostramientos





c.1.4) Ambas alas de la viga deben estar soportadas lateralmente a una distancia menor que el límite Lpd.

yy2

1pd r

FE

MM076.012.0L

c.1.5) Ambas alas de la viga deben estar soportadas lateralmente en el punto de intersección de los arriostramientos concéntricos.

c.1.3) Las Vigas deben ser continuas entre las columnas.




c.2) Arriostramientos Tipo K (13.4.b AISC S-P).

Están prohibidos debido a que se genera un mecanismo por la falla en la Columna.



d) Empalmes de Columnas. (13.5 AISC Seismic Provisions )

d.1) Los empalmes de columnas deben diseñarse como mínimo para desarrollar el 50% de la menor resistencia a flexión de los miembros conectados.

Mpc-1

Mpc-2

M > 0.5 Mpc

Mpc = Zc ( Fyc - Puc /Ag )

Empalme



d) Empalmes de Columnas. (13.5 AISC Seismic Provisions )

d.2) La resistencia requerida por corte en los empalmes de columnas se establece considerando la resistencia esperada a flexión en los extremos de la columna.

Mpc

Vuc

Vuc

Lv

Mpc

V = Vuc

Vuc = (2 Mpc / Lv )



Ejemplo de una Edificación DualPorticos Especiales de Momento + Arriostramientos Concéntricos


• Sistema de Columnas, Vigas y Arriostramientos Excentricos

• Comportamiento a flexión y corte en Vigas-Eslabon.

• Desarrollo de deformaciones axiales en columnas y arriostramientos.


3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF)


3.2 Tipos de Sistemas Excéntricos.


e e e e

ee


3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF)3.3 Ejemplos de Sistemas Excéntricos.


3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF)3.4 Definición de Elemento Eslabón “LINK”.

Link

Link


3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF)3.5 Respuesta Inelástica.


y

s

f

f

FE30.0

t2b

Alas de arriostramientos

Alma de arriostramientos

y

s

w FE

45.2th

≤

bf

tf

h

tw

a.1) Relación Ancho-Espesor (15.2a AISC S-P).Las secciones deben ser Compactas Sísmicas (ps), a fin de limitar el pandeo local.

a) Eslabones (15.2 AISC Seismic Provisions )


3.6 Requisitos Sismorresistentes (15.0 AISC Seismic Provisions )

a.2) No se permite incorporar planchas adosadas ni soldaduras de penetración en el alma de los elementos “Eslabones”.


b) Cedencia del Eslabon.

3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF)a) Eslabones (15.2 AISC Seismic Provisions )

e

V VM M

V

M

M

Equilibrio de Fuerzas en el “Eslabón”

Se debe determinar si la resistencia plástica del

“Eslabón” es controlada por Corte o por Flexión



e

V VM M

V

M

M

Capacidad Plástica a Corte:

Esfuerzo cedente a Corte Area del Alma

Vp = Capacidad Plástica a Corte del Eslabón.

V = Vp = 0.6 Fy (d - 2tf ) tw




e

V VM M

V

M

M

Capacidad Plástica a Flexión

Módulo de Sección Plástico

Vp = Capacidad Plástica a Flexión del Eslabón.

M = Mp = Z Fy




e

Vp

Mp


Vp

Mp

p

p

VM2

e El Corte y Momento plástico ocurren simultáneamente cuando V=Vp and M=Mp

Equilibrio Plástico



e

Vp Vp

M M

V = Vp

La cedencia por Corte ocurrecuando:

M < Mp


V = Vpy

2Me

Vp

p≤

M < Mp



e

V VMp Mp

V < Vp

La cedencia por Flexión ocurre cuando:

M = Mp


V < Vpy

2Me

Vp

p≥

M = Mp



c) Resistencia por Corte ( Vn). (15.2b AISC S-P).

Vn = Menor valor entre

Vp

2Mp / e

Controlado por:2M

eV

p

p≤

Controlado por:2M

eV

p

p≥

= 0.9

Vu Vn

Vu: Corte ultimo proveniente del análisis incluyendo la carga sísmica amplificada.



0

50

100

150

200

250

0 36 72 108 144 180

Link Length e (inches)

Link

Nom

inal

She

ar S

tren

gth

(kip

s)

0 1 2 3 4 5

e / (Mp/Vp)

Vn=Vp

Vn=2Mp /e



d) Rotación Plástica del Eslabon (p). (15.2c AISC S-P).

p



d) Rotación Plástica del Eslabon (p). (15.2c AISC S-P).e

L

p

p

pp eL

e

L

p

p

pp eL

p

H H

p



d) Rotación Plástica del Eslabon (p). (15.2c AISC S-P).

La Rotación Máxima del Eslabon esta definida por las siguientes condiciones:

0.08 radianes para: e 1.6 Mp / Vp

0.02 radianes para: e 2.6 Mp / Vp

Interpolación Lineal para valores de “e” entre :

1.6 Mp / Vp < e < 2.6 Mp / Vp

p max


3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF)b) Rigidizadores (15.3 AISC Seismic Provisions )

Long. del Eslabon “e”

Deben colocarse rigidizadores completos a ambos lados del alma, al principio y al final del eslabón.

Rigidizadores IntermediosEspesor Mínimo



s

30 tw - d /5 para p = 0.08 radianes

52 tw - d /5 para p = 0.02 radianes

interpolar para 0.02 < p < 0.08 radianes

e 1.6 Mp / Vp

tw = Espesor del alma del Eslabon

d = Altura del Eslabon



s s s s s

e

Disposición de Rigidizadores Intermedios.

e 1.6 Mp / Vp



2.6 Mp / Vp < e < 5 Mp / Vp

e

1.5 bf 1.5 bf

bf = Ancho del Ala del Eslabon



1.6 Mp / Vp < e < 2.6 Mp / Vp Interpolar

e > 5 Mp / Vp No se Requieren

En general, el espesor Mínimo de los rigidizadores sera el mayor valor entre 0.75 tw o 10mm


3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF)c) Arriostramiento Lateral del Eslabon (15.5 AISC Seismic Provisions )

e

Se requiere arriostramiento lateral en ambas alas del eslabon, en los extremos del mismo


3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF)c) Arriostramiento Lateral del Eslabon (15.5 AISC Seismic Provisions )

Resistencia requerida del arriostramiento lateral, ubicado en cada extremo del “Eslabon”.

o

Linkyyb h

ZFR06.0P

ho = Distancia entre los centroides de las alas del eslabon.


3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF)d) Arriostramiento y Viga Fuera de la Zona del Eslabon(15.6 AISC Seismic Provisions ) Vigas Fuera del

Eslabon

Arriostramientos


3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF)d) Arriostramiento y Viga Fuera de la Zona del Eslabon(15.6 AISC Seismic Provisions )

Vult

Mult

Vult

Mult

MultMult

Vult Vult



15.6a: Para el Diseño del Arriostramiento. Vult = 1.25 Ry Vn

15.6b: Para el Diseño de la Viga. Vult = 1.1 Ry Vn

Vn = Resistencia Nominal a Corte

2VeM ult

ult



Vult

Mult

• Diseño para las fuerzas (P y M) generadas por la acción de Vult y Multen el Eslabon.

• La conexión debe ser diseñada para 1.1 Ry Pn del arriostramiento.



e) Resistencia Requerida en Columnas (15.8 AISC Seismic Provisions )

Vult

Mult

Vult

Mult

Vult

Mult

Vult

Mult

Vult

Mult

Vult

Mult

La columna debe revisarse considerando el desarrollo de la resistencia ultima a corte y momento en cada uno de los eslabones.

Vult = 1.1 Ry Vn.

2VeM ult

ult


3.- Porticos con Arriostramientos Excéntricos (EBF)f) Zonas Protegidas (15.9 AISC Seismic Provisions )

Zonas protegidas

diseño sismo-resistente en acero

Documents

sistema resistente

que permanezcan en

sds cp

estructura incursionan

los elementos que conforman

astm a529 gr

astm a913 gr

astm a36