consideraciones acerca de sistemas sismorresistentes en acero
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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
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