Diseo sismorresistente deconstrucciones de acero

FRANCISCO JAVIER CRISAFULLIIngeniero Civil, Ph.D.

Profesor de Ingeniera Estructural,Universidad Nacional de Cuyo,

Mendoza, Argentina

INSTITUTO LATINOAMERICANO DEL FIERRO Y EL ACERO

Agradecimientos

El autor agradece al Instituto Latinoamericano del Fierro y del Acero, ILAFA, quien en su afn de pro-mover y difundir el uso del acero en Amrica Latina, propuso y apoy la realizacin de la presente publi-cacin. En particular, se destaca el constante apoyo del Sr. Alberto Pose para el desarrollo del trabajo.

Se reconoce especialmente la tarea de revisin realiza-da por el Ing. Eduardo Daniel Quiroga, quien aport comentarios y sugerencias vinculados con aspectos tcnicos de la publicacin. Se agradecen tambin los aportes de la Profesora Silvina Negri para mejorar la redaccin del texto.

Ficha catalogrfica

Francisco Javier CrisafulliDiseo sismorresistente de construcciones de acero ISBN: 978-956-8181-09-3

71 p.;

Captulo 1: Introduccin; Captulo 2: Aspectos generales del diseo sismorresis-tente; Captulo 3: Prticos no arriostrados; Captulo 4: Prticos no arriostrados; Captulo 5: Prticos arriostrados excntricamente.

Instituto Latinoamericano del Fierro y el Acero (ILAFA)Benjamn 2944. Piso 5Las Condes, Santiago, ChileE-mail: publicaciones@ilafa.orgSite: www.ilafa.org

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ndice

Agradecimientos..................................................... i ndice...................................................................... i Notacin................................................................. i Captulo 1: Introduccin 1.1. OBJETIVO, ALCANCES Y ORGANIZACIN........................................ 1 1.2. MTODOS DE DISEO: ASD Y LRFD.... 1 1.3. RIESGO SSMICO E INGENIERA SISMORRESISTENTE................................ 3 1.4. ESTRUCTURAS DCTILES DE ACERO.................................................. 4 1.4.1. El acero como material estructural............... 4 1.4.2. Aspectos generales del comportamiento estructural..................................................... 5 1.4.3. Clasificacin de secciones............................ 6 1.4.4. Efectos de segundo orden............................. 7 1.4.5. Comportamiento ssmico de estructuras de acero......................................................... 8 Captulo 2: Aspectos Generales del diseo sismorresistente 2.1. EL SISMO COMO ACCIN DE DISEO........................................................ 11 2.1.1. Espectros de respuesta.................................. 11 2.1.2. Espectros de diseo....................................... 12 2.1.3. Accin vertical del sismo.............................. 13 2.2. DISEO POR CAPACIDAD....................... 13 2.3. FILOSOFIA DEL DISEO SISMORRESISTENTE................................ 14 2.4. DESPLAZAMIENTOS LATERALES Y DISTORSIN DE PISO............................... 15 2.5. ESTADOS DE CARGA Y ANLISIS........ 16 2.5.1. Factor de redundancia................................... 16 2.5.2. Combinaciones de carga con accin de sismo............................................................. 17 2.5.3. Mtodos de anlisis....................................... 17 2.6. TIPOS ESTRUCTURALES PARA CONSTRUCCIONES DE ACERO.............. 18 2.6.1. Prticos no arriostrados................................ 18 2.6.2. Prticos arriostrados concntricamente........ 19 2.6.3. Prticos arriostrados excntricamente.......... 20 2.6.4. Muros de corte con placas de acero.............. 21 2.6.5. Sistemas con disipadores de energa. Barras de pandeo restringido........................ 24 2.7. SISTEMAS SISMORRESISTENTES......... 26 2.7.1. Zonas protegidas........................................... 26 2.7.2. Tipos de soldadura. Soldaduras de demanda crtica............................................. 27 2.7.3. rea "k"........................................................ 27 Captulo 3: Prticos no arriostrados 3.1. INTRODUCCIN....................................... 29 3.1.1. Comportamiento estructural......................... 29 3.1.2. Conexiones precalificadas............................ 30 3.2. PRTICOS NO ARRIOSTRADOS

ESPECIALES............................................... 30 3.2.1. Aspectos generales........................................ 30 3.2.2. Conexiones viga-columna............................. 30 3.2.3. Placas de continuidad.................................... 31 3.2.4. Panel nodal.................................................... 31 3.2.5. Relacin ancho-espesor para vigas y columnas....................................................... 34 3.2.6. Relacin entre la resistencia flexional de columnas y vigas...................................... 34 3.2.7. Restriccin lateral en conexiones................. 34 3.2.8. Restriccin lateral en vigas........................... 35 3.3. PRTICOS NO ARRIOSTRADOS INTERMEDIOS........................................... 35 3.3.1. Aspectos generales........................................ 35 3.3.2. Conexiones viga-columna............................. 35 3.3.3. Placas de continuidad.................................... 35 3.3.4. Panel nodal.................................................... 35 3.3.5. Relacin ancho-espesor para vigas y columnas....................................................... 36 3.3.6. Restriccin lateral en vigas........................... 36 3.4. PRTICOS NO ARRIOSTRADOS ORDINARIOS.............................................. 36 3.4.1. Aspectos generales........................................ 36 3.4.2. Conexiones viga-columna............................. 36 3.4.3. Placas de continuidad.................................... 37 3.5. COMPARACIN DE LOS REQUERIMIENTOS DE DISEO............. 37 3.6. CONEXIONES VIGA-COLUMNA............ 37 3.6.1. Conexiones reforzadas.................................. 38 3.6.2. Conexiones con vigas de seccin reforzada....................................................... 40 3.6.3. Otras conexiones........................................... 41 3.7. REHABILITACIN SSMICA DE PRTICOS EXISTENTES.......................... 42 Captulo 4: Prticos arriostrados concntricamente 4.1. INTRODUCCIN........................................ 43 4.2. COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL DE LAS RIOSTRAS.................................... 43 4.2.1. Respuesta cclica........................................... 43 4.2.2. Factores que afectan la respuesta.................. 45 4.3. CONFIGURACIN GEOMTRICA DE LAS RIOSTRAS.......................................... 47 4.3.1. Criterios estructurales................................... 47 4.3.2. Riostras en V y V invertida.......................... 47 4.3.3. Riostras en K................................................ 48 4.3.4. Riostras tipo tensor en X.............................. 49 4.3.5. Diseo de conexiones................................... 50 4.4. PRTICOS ESPECIALES ARRIOS- TRADOS CONCNTRICAMENTE........... 50 4.4.1. Objetivo general del diseo.......................... 50 4.4.2. Riostras......................................................... 51 4.4.3. Configuracin de las riostras........................ 52 4.4.4. Relacin ancho-espesor................................ 52

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4.4.5. Conexiones................................................... 52 4.4.6. Requerimientos especiales para prticos con arriostramientos en V y V invertida....... 53 4.4.7. Arriostramientos en K.................................. 53 4.4.8. Sistemas duales............................................. 53 4.5. PRTICOS ORDINARIOS ARRIOS- TRADOS CONCNTRICAMENTE........... 54 Captulo 5: Prticos arriostrados excntricamente 5.1. INTRODUCCIN........................................ 55 5.2. CONSIDERACIONES ESTRUC- TURALES.................................................... 55 5.2.1. Configuracin geomtrica............................ 55 5.2.2. Rigidez lateral............................................... 56 5.2.3. Comportamiento estructural del enlace........ 57 5.2.4. Resistencia del enlace................................... 58 5.2.5. Deformacin inelstica del enlace................ 59 5.2.6. Resistencia lateral del prtico....................... 60 5.2.7. Comparacin entre enlaces largos y cortos... 60 5.3. DETALLE DEL ENLACE Y CONE- XIONES....................................................... 61 5.4. PRTICOS ESPECIALES ARRIOS- TRADOS EXCNTRICAMENTE.............. 62 5.4.1 Enlaces.......................................................... 62 5.4.2. Riostras, columnas y vigas........................... 62 5.4.3. Relaciones ancho-espesor............................. 62 5.4.4. Conexiones................................................... 62 5.4.5. Sistemas duales............................................. 63 Referencias bibliogrficas..................................... 64

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Notacin

a separacin mxima entre rigidizadores de enlace b ancho de un elemento de la seccin bbf ancho del ala de la viga bcf ancho del ala de la columna bf ancho del ala Cd factor de amplificacin de desplazamientos D cargas de peso propio de la estructura y otros

elementos db altura total de una viga dc altura total de una columna dz ancho del panel nodal E accin del sismo F carga debida a fluidos, o fuerza lateral Fa coeficiente de sitio FE resistencia lateral ante acciones ssmicas Fu resistencia de traccin mnima para el acero

especificado Fv coeficiente de sitio Fy tensin mnima de fluencia para el acero especi-

ficado H carga debida al empuje lateral de suelos, del

agua en el suelo o de otros materiales a granel h altura de piso ho distancia entre baricentro de las alas Ib momento de inercia de la viga Ic momento de inercia de la columna K factor de longitud de pandeo efectiva L sobrecarga de uso, o longitud de una barra Lh distancia entre rtulas plsticas en la viga. Lr sobrecarga en cubiertas L longitud de pandeo Mn momento nominal Mp momento plstico P carga vertical Pc carga axial de compresin Pt carga axial de traccin Pu carga axial requerida Puc resistencia requerida a compresin Py carga axial de fluencia pa probabilidad anual de excedencia pt probabilidad de excedencia en un periodo de

tiempo t Q factor de reduccin para secciones esbeltas

comprimidas R carga por lluvia o factor de modificacin de respuesta Rd resistencia de diseo Rn resistencia nominal Rt relacin entre la resistencia de traccin esperada

y la resistencia de traccin mnima, Fu

Ru resistencia requerida Ry relacin entre la tensin de fluencia esperada y

la tensin mnima de fluencia, Fy R factor de ductilidad r radio de giro S carga de nieve o hielo SDS aceleracin espectral de diseo para T=0.2s SD1 aceleracin espectral de diseo para T=1.0s SS aceleracin espectral MCE para T=0.2s S1 aceleracin espectral MCE para T=1.0s T acciones resultantes del impedimento de cam-

bios dimensionales (originados por asentamien-tos, efectos trmicos, contraccin por frage, fluencia lenta, etc.), o

periodo de vibracin fundamental de una estruc-tura

TL periodo de transicin para periodos largos TR periodo de retorno V corte en un nivel VD corte basal de diseo Ve corte basal elstico VY corte basal de fluencia o resistencia lateral de la

estructura t espesor de un elemento, o intervalo de tiempo tbf espesor del ala de la viga tcf espesor del ala de la columna tp espesor total del panel nodal tw espesor del alma W carga de viento wz altura del panel nodal Z mdulo plstico de una seccin

ngulo de inclinacin c factor de reduccin para pandeo poscrtico desplazamiento relativo de piso desplazamiento lateral e desplazamiento lateral elstico S desplazamiento lateral de diseo Y desplazamiento lateral de fluencia ndice de estabilidad o distorsin horizontal de piso factor de amortiguamiento factor de carga factor de redundancia factor de resistencia v factor de resistencia a corte factor de seguridad D factor de sobrerresistencia de diseo M factor de sobrerresistencia de debida al material o factor de sobrerresistencia del sistema S. factor de sobrerresistencia del sistema .

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Captulo 1 Introduccin

1.1. OBJETIVO, ALCANCES Y ORGANIZA-CIN DEL TEXTO El objetivo fundamental de esta publicacin es presen-tar una gua de utilidad prctica para los ingenieros estructurales vinculados al diseo sismorresistente de construcciones de acero. En ella se incluyen conceptos bsicos y criterios de diseo para los sistemas resisten-te ms usuales, como son los prticos sin arriostrar (prticos a momento) y los prticos arriostrados concntrica y excntricamente. Para su redaccin, se ha tomado como referencia la publicacin Seismic Provisions for Structural Steel Buildings (AISC 2005a), preparada por el American Institute of Steel Construction, AISC, considerando la amplia difusin que este documento tiene en Latinoamrica, ya sea como reglamento de diseo o como bibliografa de consulta. Se incluye tambin una breve descripcin de otros sistemas estructurales, como los prticos con riostras de pandeo restringido y los muros especiales con placas de acero, que representan avances recientes de la ingeniera estructural que ya han sido aplicados en pases como Estados Unidos y Japn.

Es importante aclarar, para no defraudar las expec-tativas del lector, que el desarrollo de los temas se realiza en forma general, haciendo nfasis en los aspec-tos conceptuales. No se incluyen descripciones detalla-das de todas las especificaciones de diseo, demostra-ciones, desarrollos analticos o ejemplos numricos como los que pueden encontrarse en libros especializa-dos, manuales de diseo o artculos tcnicos. No obs-tante ello, se incluyen referencias bibliogrficas y datos adicionales de consulta que son de utilidad para com-plementar y profundizar los temas tratados.

Para una adecuada comprensin de este texto, el lector debe contar con conocimientos sobre anlisis estructural, conceptos bsicos de dinmica y criterios de diseo de estructuras de acero. En relacin a este ltimo tema, existe una variada bibliografa a consultar, por ejemplo, Bruneau et al. (1997), McCormac (2002), Salmon et al. (2008), Vinnakota (2006). Desde el punto de vista reglamentario, el documento Specification for Structural Steel Buildings (AISC, 2005b) representa la referencia principal.

En las secciones siguientes de este captulo se pre-sentan algunos conceptos bsicos vinculados a los criterios de diseo segn los mtodos de tensiones admisibles, ASD, y de factores de carga y resistencia, LFRD, a riesgo ssmico y a temas generales de estruc-turas dctiles de acero. En el Captulo 2 se incluyen nociones del diseo sismorresistente que permiten

comprender los criterios de verificacin presentes en las especificaciones AISC, junto con una descripcin de los tipos estructurales para construcciones de acero. Los Captulos 3, 4 y 5 presentan las principales especi-ficaciones y requerimientos vinculados a los tres tipos de estructuras ms usados como sistema sismorresis-tente, esto es: prticos no arriostrados, prticos arrios-trados concntricamente y prticos arriostrados ex-cntricamente.

A lo largo del texto se indican diversas siglas em-pleadas en las especificaciones AISC y en la biblio-grafa tcnica en idioma ingls. En algunos casos no se ha realizado la traduccin en idioma espaol porque las mismas son de aplicacin frecuente en Latinoamrica y su uso facilita la lectura de las especificaciones y de la bibliografa.

1.2. MTODOS DE DISEO: ASD Y LRFD Las especificaciones para construcciones de acero vigentes en Estados Unidos de Amrica (AISC, 2005b) 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 Resis-tance Factor Design).

El primer mtodo se basa en verificar que las ten-siones inducidas en los elementos estructurales no excedan una tensin admisible, la cual resulta de divi-dir la resistencia del material (usualmente la tensin de fluencia Fy) por un factor de seguridad . Este proce-dimiento es ampliamente conocido por los ingenieros estructurales y ha sido utilizado a lo largo de muchas dcadas. La combinacin de estados de carga requeri-das para este mtodo, segn el reglamentoASCE/SEI 7-05, MinimumDesign Loads for Buildings and Other Structures (ASCE, 2005) son:

1. D + F 2. D + H + F+ L + T 3. D + H + F + (Lr o S o R) 4. D + H + F + 0.75(L + T) + 0.75(Lr o S o R) 5. D + H + F + (W o 0.7E) 6. D + H + F + 0.75(W o 0.7E) + 0.75L + 0.75(Lr o S o R) 7. 0.6D + W + H 8. 0.6D + 0.7E + H (1-1)

donde D es la carga permanente por peso propio, F la carga debida a fluidos, T representa la accin resultante del impedimento de cambios dimensionales, H es la

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carga debida empuje lateral de suelos, del agua en el suelo o de otros materiales a granel, L es la sobrecarga de uso, Lr es la sobrecarga en cubiertas, S es la carga de nieve, R es la carga por lluvia, W la carga de viento y E representa la accin del sismo.

Por el contrario, el mtodo LRFD es ms reciente; algunos pases de Latinoamrica lo han adoptado en los ltimos aos, mientras que otros pases continan con el mtodo ASD. A nivel acadmico, los datos obteni-dos de un relevamiento informal en distintas universi-dades de Latinoamrica indican qu solo algunas uni-versidades ha incorporado en los planes de estudio de ingeniera civil la enseanza del mtodo LRFD. Es por ello que resulta conveniente presentar una descripcin conceptual del mismo en esta publicacin.

El mtodo de diseo LRFD se basa en la evaluacin de una serie de estados lmites, los cuales pueden defi-nirse 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 espe-rado. Los estados lmites se dividen en dos grupos: Estados lmites de servicio: son aquellos vinculados

a condiciones de funcionamiento y su incumpli-miento puede afectar el normal uso de la construc-cin.. Como ejemplo, puede mencionarse el control de deformaciones excesivas en vigas o de vibracio-nes en un entrepiso cuando se someten a cargas de servicio.

Estados lmites de resistencia (o ltimos): son los relacionados con la capacidad resistente ante cargas ltimas y se vinculan directamente con la seguridad estructural para prevenir el dao y el colapso. Estos estados varan segn el tipo de solicitacin actuan-te, y usualmente se requiere verificar varios de ellos para un mismo componente. Algunos de los estados lmites de resistencia ms usuales son: fluencia, ro-tura, formacin de rtulas plsticas, inestabilidad global de un componente, pandeo local y pandeo la-teral torsional.

La verificacin de los estados lmites de resistencia se realiza a travs de la comparacin entre las solicita-ciones resultantes de aplicar las combinaciones de cargas mayoradas (en estado ltimo) y la resistencia correspondientes a dicho estado, lo cual puede expre-sarse como:

Resistencia requerida, Ru (demanda) Resistencia de diseo, Rd (suministro)

Este criterio de verificacin de un estado lmite de resistencia puede expresarse matemticamente a travs de la siguiente expresin:

i Qi Rn (1-2) donde i representa los factores de carga que multipli-can las distintas cargas o sobrecargas de servicio Qi, es el factor de resistencia correspondiente a ese estado lmite y Rn es la resistencia nominal obtenida a partir

de expresiones o procedimientos indicados en los re-glamentos vigentes y considerando estimaciones con-servadoras acerca de las propiedades de los materiales. Para la cuantificacin de los factores de carga y resis-tencia se considera un modelo probabilstico (en el cual las cargas Q y las resistencias R se representan como variables aleatorias estadsticamente independientes), la calibracin y comparacin con el mtodo ASD y la evaluacin fundamentada en la experiencia y ejemplos desarrollados por ingenieros estructurales.

Los factores de resistencia multiplican la resis-tencia nominal o terica, a los efectos de considerar incertidumbres debidas a los procedimientos de clcu-lo, materiales, dimensiones, mano de obra, etc. Los valores que adopta este factor dependen del tipo de componente y de la solicitacin actuante. As por ejemplo, se tiene: 0.90 para fluencia en miembros en traccin, 0.75 para fractura, 0.85 para miembros en compresin y 0.90 para componentes sometidos a flexin y corte.

El mtodo LRFD considera diversas combinaciones de carga, las cuales surgen de asumir que cada una de ellas acta separadamente con el mximo valor espera-do en la vida til de la construccin (accin de base), mientras que las otras cargas (acciones de acompaa-miento) adoptan valores usuales, todas con igual pro-babilidad de ocurrencia. A modo de ejemplo, se pre-sentan combinaciones de cargas segn lo requerido por ASCE/SEI 7-05:

1. 1.4(D+F) 2. 1.2(D+F+T) + 1.6(L+H) + 0.5(Lr o S o R) 3. 1.2D + 1.6(Lr o S o R) + (L o 0.8W) 4. 1.2D + 1.6W + L + 0.5(Lr o S o R) 5. 1.2D + 1.0 E + L + 0.2S 6. 0.9D + 1.6W + 1.6H 7. 0.9D + 1.0E + 1.6H (1-3)

Es importante mencionar que en las combinaciones 3, 4 y 5 est permitido reducir el efecto de la carga L cuan-do el valor de la sobrecarga de uso definido por el reglamento es menor o igual a 4.79 kN/m2.

Puede observarse en las combinaciones de carga definidas por las Ecuaciones (1-3) que el factor corres-pondiente a la accin ssmica es 1.0. Ello es as, por que los reglamentos vigentes definen dicha a accin a un nivel correspondiente a estado ltimo, a diferencia de otras acciones, como la carga L cuyos valores se determinan a nivel servicio y luego son mayorados.

De lo expuesto, y a modo de resumen, puede con-cluirse que las diferencias entre ambos mtodos son tanto conceptuales como operativas. El mtodo ASD plantea el diseo a partir de comparaciones de tensio-nes, considerando combinaciones de estados de carga definidos a nivel de servicio. El coeficiente de seguri-dad engloba, en un nico valor, las distintas incerti-dumbres vinculadas a las acciones y a la resistencia de la estructura. El mtodo LRFD considera estados lmi-tes de servicio y de resistencia. stos ltimos son los

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que se vinculan a la seguridad estructural y se verifican mediante una comparacin de esfuerzos (momentos flectores, esfuerzos de corte, cargas axiales) segn corresponda. La identificacin de los estados lmites de falla es una parte integral del proceso de diseo. La combinacin de cargas se realiza incluyendo factores de carga que adoptan distintos valores segn el estado considerado; dichos valores surgen de consideraciones estadsticas y reflejan las probables variaciones de las acciones de diseo. La resistencia requerida o solicita-ciones as obtenidas corresponden a estado ltimo. La resistencia de diseo incluye un factor de resistencia, cuyo valor depende del tipo de estado lmite (modo de falla) considerado.

Desde el ao 2005 las especificaciones AISC (AISC, 2005a y 2005b) incorporaron un formato unifi-cado en el que se incluye en forma simultnea ambos mtodos: LFRD y ASD. No obstante ello se mantiene el concepto de verificacin estados lmites propios del mtodo LRFD.

1.3. RIESGO SSMICO E INGENIERA SISMO-RRESISTENTE

La humanidad ha experimentado a lo largo de su histo-ria el efecto destructivo de los terremotos. En el siglo XX, estas catstrofes naturales han ocasionado una media anual del orden de 14.000 muertos, por encima de otros desastres como ciclones, huracanes, inunda-ciones, avalanchas y erupciones volcnicas (Kovach, 1995). Adicionalmente, originan cuantiosas prdidas econmicas como resultado del dao en las obras de infraestructura pblica y construcciones privadas, lo cual impacta negativamente en el desarrollo de las zonas afectadas. Latinoamrica no es ajena a esta situa-cin y muchos de sus pases han sufrido el efecto des-bastador de estos eventos.

En el ao 1910 la Sociedad Sismolgica de Amri-ca identific los tres aspectos principales del problema ssmico: el terremoto en s mismo (cundo, dnde y cmo ocurren los sismos), el movimiento del terreno asociado y su efecto sobre las construcciones (McGui-re, 2004). Los dos primeros aspectos representan la peligrosidad o amenaza ssmica de un determinado lugar, mientras que el tercer aspecto se vincula la vul-nerabilidad. sta puede definirse como la susceptibili-dad o predisposicin de las construcciones a sufrir dao ante la ocurrencia de fenmenos desestabilizantes de origen natural o antropognico. A partir de conside-raciones holsticas, algunos autores amplan el concep-to de vulnerabilidad considerando no slo las obras o construcciones sino toda la comunidad.

El riesgo ssmico, en trminos generales, puede in-terpretarse como una medida de las prdidas potencia-les (econmicas, sociales, ambientales, etc.) que pue-den originar los sismos un periodo de tiempo especifi-cado. Desde un punto de vista ms tcnico, el riesgo ssmico surge como resultado de la interaccin de dos variables principales: la amenaza ssmica y la vulnera-

bilidad (para ms informacin sobre el tema consultar el trabajo de Carreo et al, 2005). De ah la importancia de no confundir amenaza y riesgo, como muchas veces ocurres en la prctica. En resumen, la amenaza ssmica describe el potencial que presenta el fenmeno, por ejemplo en trminos de sacudimiento, y que obviamen-te puede resultar en consecuencias desfavorables para la sociedad y sus obras de infraestructura. El riesgo ssmico cuantifica la probabilidad de ocurrencia de esas consecuencias.

No es posible actualmente modificar la amenaza ssmica, pero la ingeniera s dispone de soluciones para reducir la vulnerabilidad de las construcciones, y por ende el riesgo ssmico. La experiencia recogida a lo largo de dcadas indica, sin lugar a dudas, que el dao producido por los sismos puede controlarse y reducirse a niveles aceptables mediante medidas sistemticas de prevencin. La formulacin de estas medidas debe realizarse en forma integral, con criterio multidiscipli-nario e incluyendo no solo aspectos ingenieriles, sino tambin consideraciones sociales, educacionales, de manejo de emergencia, etc. No obstante ello, es obvio que uno de los aspectos claves para asegurar el xito de este proceso se vincula con la seguridad estructural de las construcciones sismorresistentes.

La ingeniera estructural sismorresistente es una disciplina relativamente nueva y resulta difcil indicar con precisin cundo y dnde se origin. Lo cierto es que surgi como una necesidad imperiosa para contro-lar el efecto de los sismos. Los terremotos de San Francisco, EEUU, en 1906, y de Mesina, Italia, en 1908, pueden considerarse como dos hechos claves que mostraron la vulnerabilidad de los centros urbanos ubicados en zonas ssmicas y originaron un cambio significativo en los criterios de clculo de la poca. Como resultado de ello, y teniendo en cuenta las ob-servaciones realizadas, se propuso considerar una fuer-za esttica horizontal para representar el efecto ssmico, cuyo valor se estimaba como un 10% del peso de la construccin. De esta forma se trataba de representar, en forma simplificada, pero racional, la naturaleza dinmica del problema y los efectos inerciales produci-dos por la vibracin ssmica sobre la masa de la cons-truccin. Posteriormente, la experiencia recogida in situ tras la ocurrencia de terremotos, la investigacin analtica y experimental y el desarrollo de reglamentos de diseo sismorresistente han contribuido para un avance continuo y significativo durante los ltimos 100 aos.

En la actualidad la ingeniera sismorresistente dis-pone de soluciones adecuadas que, mediante el uso de distintos materiales estructurales, sistemas constructi-vos, dispositivos innovadores para el control de vibra-ciones, criterios de diseo y mtodos de anlisis con-fiables, permiten reducir el riesgo ssmico.

Sin embargo la reduccin del riesgo ssmico no se ha alcanzado en forma uniforme a escala mundial. Ello se debe a distintas razones, algunas de las cuales no son de carcter tcnico o ingenieril. Es por ello que uno de

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los mayores desafos, particularmente en Latinoamri-ca, es lograr la implementacin prctica de las solucio-nes que la ingeniera sismorresistente ha desarrollado tanto para construcciones nuevas como para la rehabili-tacin de estructuras existentes que no cumplen con los niveles de seguridad requeridos en la actualidad. Uno de los problemas que se observa reiteradamente en muchos lugares afectados por terremotos es la discre-pancia entre los criterios de diseo y la estructura real-mente construida. Por desconocimiento, negligencia o razones de costo, se realizan modificaciones en obra que luego conducen a dao o colapso de los componen-tes estructurales.

1.4. ESTRUCTURAS DCTILES DE ACERO

1.4.1. El acero como material estructural

El acero de uso estructural es un material de fabrica-cin industrializada, lo cual asegura un adecuado con-trol de calidad. Este material se caracteriza por una elevada resistencia, rigidez y ductilidad (esto es capa-cidad de soportar deformaciones plsticas sin disminuir su capacidad resistente), por cual su uso es muy reco-mendable para construcciones sismorresistentes.

En el diseo y verificacin de componentes estruc-turales de acero, uno de los parmetros mecnicos ms importantes es la tensin mnima de fluencia, Fy, Adi-cionalmente, en algunos estados lmite vinculados con la fractura se aplica la resistencia de traccin mnima, Fu. Ambos parmetros son propiedades nominales del acero especificado. Los aceros convencionales presen-tan resistencias menores y mayor ductilidad, mientras que los aceros de alta resistencia en general presentan una ductilidad reducida (ver Figura 1-1). Esta es la razn por la cual las especificaciones ssmicas AISC 341-05 limitan la tensin mnima de fluencia a 345 MPa en componentes donde se espera que se desarrolle comportamiento inelstico. Para el caso de estructuras con ductilidad limitada este lmite se incrementa a 380 MPa.

Los procedimientos de diseo para algunos siste-mas estructurales se basan en la aplicacin del mtodo de diseo por capacidad (el cual se presenta con ms detalle en el Captulo 2 de este documento). Este mto-do requiere en ciertos casos estimar en forma realstica la resistencia esperada de los componentes estructura-les, en lugar de la resistencia de diseo obtenida partir de la tensin de fluencia mnima Fy o de la resistencia de traccin, Fu. Para cuantificar el incremento de la resistencia real o esperada de los componentes estruc-turales, en relacin a la resistencia nominal, se define el factor Ry como la relacin entre la tensin de fluencia esperada y la tensin mnima de fluencia, Fy. Con igual criterio, para el caso de fractura se define el factor Rt como la relacin entre la resistencia de traccin espera-da y la resistencia Fu. Estos dos factores, que cuantifi-can la sobrerresistencia del material, deben determinar-se estadsticamente a partir de informacin experimen-

tal obtenida del ensayo de probetas de acero, por lo cual sus valores podran cambiar de un pas a otro. Para el caso de los aceros usados en Estados Unidos, los cuales se fabrican bajo normas ASTM, el factor Ry vara entre 1.1 y 1.6, y el factor Ru vara entre 1.1 y 1.3, dependiendo del tipo de acero y de la forma del com-ponente estructural (planchuelas, tubos o perfiles).

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

Deformacin (mm/mm)

Tens

in (M

Pa)

A514

A572

A36

Fig. 1-1. Curvas tensin-deformacin para tres aceros ASTM.

Cuando se emplean perfiles pesados, esto es con espesores iguales o mayores a 38mm, las especifica-ciones ssmicas requieren que se realicen ensayos de Charpy sobre probetas con muesca en V (Charpy V-notch test), a los efectos de verificar que la energa absorbida en el impacto sea mayor que de 27 J a 21 oC.

Si bien las ventajas del acero como material estruc-tural son significativas, es importante tambin conocer sus limitaciones, de modo de poder contrarrestar sus efectos negativos. El acero usualmente se considera como un material isotrpico, sin embargo, los datos experimentales indican que puede exhibir efectos de anisotropa en trminos de resistencia y ductilidad. Ello se debe a la presencia elementos no-metlicos o inclu-siones en la constitucin del acero, los cuales son apla-nados durante el proceso de laminacin. Estas inclu-siones actan como micro-fisuras planas que debilitan el material, particularmente cuando se somete a trac-cin en la direccin perpendicular a la que fue lamina-do. Este fenmeno se conoce como desgarramiento laminar (lamellar tearing)y afortunadamente no es significativo, salvo en secciones con placas gruesas o perfiles pesados donde adems se generan fuertes res-tricciones de deformacin por soldadura. En la actuali-dad el problema del desgarramiento laminar ha sido controlado mediante la reduccin del contenido de inclusiones y adecuados detalles de uniones soldadas. Sin embargo, ste puede ser un aspecto importante a considerar en la rehabilitacin de estructuras existentes, construidas cuando el fenmeno del desgarramiento laminar no se conocan adecuadamente.

Otra caracterstica inconveniente del acero se rela-ciona con el fenmeno de fatiga, por el cual se produce

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la falla prematura del material bajo la repeticin de ciclos de carga. Ello es consecuencia de la propagacin de fisuras iniciadas en imperfecciones o dislocaciones en la estructura cristalina del material. La informacin experimental disponible indica que deben considerarse dos casos o situaciones diferentes: fatiga de alto y bajo ciclaje.

La fatiga de alto ciclaje ocurre por la repeticin de una gran cantidad de ciclos de carga y la falla se pro-duce por fractura a un nivel de tensiones menor que la resistencia a traccin e incluso menor que tensin de fluencia, obtenida del ensayo monotnico de traccin. Este fenmeno puede afectar puentes sometidos a la accin variable del trnsito vehicular, puentes gra, estructuras off-shore, componentes de mquinas, etc. En el caso de la fatiga de bajo ciclaje, la fractura se produce luego de la repeticin de un nmero reducido de ciclos en los que se han desarrollado deformaciones plsticas. La falla ocurre un nivel de deformaciones menor que la deformacin ltima del material obtenida del ensayo monotnico de traccin. Es importante resaltar que evaluacin experimental de la resistencia a fatiga de bajo ciclaje obtenida con probetas puede ser muy distinta de la que surge al ensayar componentes estructurales completos. Esta diferencia se origina en la significativa influencia que tienen las deformaciones plticas resultantes de la ocurrencia de pandeo local. El efecto de fatiga de bajo ciclaje es un aspecto a conside-rar en el diseo sismorresistente, debido a la naturaleza dinmica del terremoto y a las hiptesis de diseo que usualmente consideran el comportamiento inelstico de la estructura.

Finalmente, debe recordarse que la ductilidad del acero puede verse afectada por otros efectos o factores, tales como la temperatura, los problemas relacionados con la soldadura (calentamiento-enfriamiento, fragili-zacin por hidrgeno) y las tcnicas de fabricacin (corte, perforacin ,etc.) La discusin detallada de estos aspectos se encuentra fuera del alcance de esta publica-cin (el texto de Bruneau et al., 1997, presenta una completa discusin de estos temas). La presencia de tensiones residuales, inducidas tanto en el proceso de laminacin como en las zonas afectadas por la soldadu-ra, no tiene un efecto significativo en la ductilidad del material. Estas tensiones, que representan un sistema auto-equilibrado, se consideran en el diseo mediante un criterio prctico simplificado que consiste en reducir el lmite de fluencia.

1.4.2. Aspectos generales del comportamiento es-tructural

La estructura de acero es un sistema formado por miembros vinculados entre s mediante conexiones, de modo que todo el conjunto cumpla con las condiciones de estabilidad, resistencia y rigidez requeridas para un adecuado desempeo. Las ventajas del acero, en rela-cin a su adecuada resistencia a traccin y ductilidad, son vlidas tambin para todo el sistema estructural. El

mayor desafo en el diseo de estructuras de acero consiste en limitar o controlar los problemas de inesta-bilidad en miembros o zonas localizadas sometidas a compresin. Puede definirse la condicin de estabilidad como la capacidad de las barras, placas y elementos de acero sometidos a compresin de mantener su posicin inicial de equilibrio y de soportar las cargas que los solicitan. El estudio detallado de los fenmenos de inestabilidad puede encontrarse en la bibliografa espe-cializada (una de las referencias ms completa es Ga-lambos, 1998).

Los fenmenos de inestabilidad pueden agruparse en dos tipos principales. El primero comprende aque-llos fenmenos de inestabilidad que abarcan todo o gran parte de un miembro o barra de acero, por lo que se denomina pandeo global. En este grupo se incluyen varios estados lmites, como el pandeo flexional, tor-sional y flexo-torsional en barras comprimidas y el pandeo lateral-torsional en barras comprimidas.

El segundo grupo de problemas de inestabilidad se relaciona con el pandeo localizado de las placas o componentes de las secciones metlicas, y se denomina pandeo local o abollamiento.

Con el objeto de ilustrar estos conceptos, la Figura 1-2 muestra el caso de pandeo global de una riostra debido a los esfuerzos de compresin generados por la accin del sismo de Hyogo-ken Nanbu (Kobe), Japn, en 1995, mientras que las Figuras 1-3 y 1-4 presentan ejemplos de pandeo local o abollamiento correspon-dientes a ensayos de laboratorio para dos tipos de sec-ciones.

Como se mencion previamente, el pandeo lateral-torsional es un problema de inestabilidad que puede afectar a las barras flexionadas, caso tpico de las vigas en estructuras de prticos. Este problema se origina por el pandeo lateral de la parte comprimida de la viga, que es parcialmente restringido por la parte traccionada (que acta como un elemento estabilizante). En edifi-cios con entrepisos rgidos, esto es con distintos tipos de losas de hormign armado, el ala superior de las vigas usualmente se encuentra impedida de desplazarse lateralmente. El ala inferior de la viga puede tambin estar sometida a compresin, por ejemplo por la accin de momentos flectores inducidos por sismos. En esos casos es necesario arriostrar dicha ala para impedir el desplazamiento lateral en ciertos puntos y controlar as la ocurrencia del pandeo lateral-torsional.

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Fig. 1-2. Pandeo de una riostra, terremoto de Hyogo-ken Nanbu, Japn (Cortesa de National Information

Service for Earthquake Engineering, EERC, University of California, Berkeley).

Fig. 1-3. Formacin de una rtula plstica con gran-des demandas de deformacin debido a flexin y carga

axial en la base de una columna.

Fig. 1-4. Pandeo local en un tubo de acero sometido a compresin.

1.4.3. Clasificacin de secciones

El pandeo local es un fenmeno complejo, propio de las secciones de acero (perfiles laminados y secciones armadas), las cuales estn formadas por placas delga-das en relacin a las dimensiones de la seccin, para lograr un uso ptimo del material. El tratamiento ma-temtico de este tipo de pandeo es difcil, particular-mente en rango inelstico, razn por la cual las especi-ficaciones de diseo usualmente consideran una verifi-cacin indirecta y simplificada de este fenmeno. En el caso de la reglamentacin AISC, un aspecto fundamen-tal para la evaluacin y control del problema de pandeo local es la clasificacin de secciones de acero en tres grupos a partir de la relacin ancho-espesor, =b/t o =h/tw, de los elementos componentes de la seccin (algunos autores denominan como esbeltez local a esta relacin, por analoga con el fenmeno de pandeo glo-bal). Las condiciones para clasificar las secciones son las siguientes: Secciones compactas: todos sus elementos compo-

nentes cumplen que p y adems sus alas estn vinculadas en forma continua con un alma o almas.

Secciones no compactas: cuando uno o ms de sus elementos cumple que p < r

Secciones esbeltas: al menos un elemento cumple que > r

donde p y r son esbelteces lmites que dependen del tipo de elemento (rigidizados o no rigidizados), del estado de solicitacin y de otras caractersticas de la seccin (ver AISC, 2005b).

La Figura 1-5 presenta un esquema general donde se muestra el efecto que la clasificacin de secciones tiene para el diseo de vigas y columnas. En el caso de barras comprimidas con secciones esbeltas se considera la posibilidad de ocurrencia del pandeo local, para lo

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cual se define un factor de reduccin Q que disminuye la tensin crtica con la cual se disea la barra. Si la seccin de la columna es compacta o no compacta slo se consideran los estados lmites de pandeo global.

Fig. 1-5. Clasificacin de secciones de acero para definir la consideracin del pandeo local en vigas

(perfiles I y C) y columnas.

Para el diseo de barras flexionadas las especifica-ciones AISC 360-05 consideran que la plastificacin de la seccin se logra slo en el caso de secciones compactas. Para los otros dos tipos de secciones, el momento nominal, Mn, es menor que el momento de plastificacin de la seccin, Mp, para considerar la ocurrencia del pandeo local. Se considera que las sec-ciones compactas tienen capacidad de desarrollar una capacidad de rotacin de 3 (esto es la rotacin mxima es 3 veces la rotacin de fluencia), antes de que se inicie en alguno de los elementos el pandeo local.

En el caso de miembros de acero que forman parte de estructuras sismorresistentes y en los cuales se con-sidera que se desarrollarn deformaciones inelsticas, las especificaciones AISC 341-05 requieren el cum-plimiento de condiciones ms estrictas para controlar el pandeo local. En estos casos se requiere que las seccio-nes sean ssmicamente compactas, para lo cual todos sus elementos deben cumplir la condicin ps, don-de el lmite ps es menor que p (ver Figura 1-5) y se encuentra tabulado en las especificaciones AISC 341-05. Esta situacin se representa grficamente en la Figura 1-6, donde se muestra, mediante un grfico momento-rotacin, el efecto del tipo de seccin en la respuesta esperada para una viga I de acero. Los datos experimentales indican que las secciones ssmicamente compactas pueden desarrollar una capacidad de rota-cin de 7, aproximadamente.

1.4.4. Efectos de segundo orden

Los efectos de segundo orden son aquellos inducidos por las cargas actuando en la configuracin deformada de la estructura, es decir que se trata de un problema de no linealidad geomtrica. En el caso particular de car-gas gravitatorias, P, a medida que la estructura se de-forma por la accin del sismo, las cargas gravitatorias inducen un momento adicional que es proporcional al

desplazamiento lateral . A este caso particular de efecto de segundo orden se lo denomina efecto P-Delta.

Fig. 1-6. Comportamiento flexional de una viga I en base al tipo de seccin (efecto del pandeo local).

Para analizar la influencia del efecto P-Delta en la respuesta global de la estructura se presenta en la Figu-ra 1-7 el caso de un sistema simple de un grado de libertad sometido a una fuerza lateral F, la cual origina un desplazamiento . Las cargas gravitatorias P tam-bin se desplazan generando un momento de vuelco que se suma al inducido por la fuerza F, de modo que en un instante dado M = F h + P . Este incremento del momento de vuelco es equivalente a la accin de una fuerza lateral adicional, igual a P / h, la cual reduce la resistencia lateral de la estructura. Adicionalmente, el efecto de P-Delta disminuye la rigidez lateral, la cual eventualmente puede tomar valores negativos en la zona de comportamiento inelstico.

Desde el punto de vista del diseo estructural, es necesario preguntarse cules son las consecuencias del efecto P-Delta. Como se deduce de la Figura 1-7, ste produce un aumento en los desplazamientos, dado que la rigidez real de la estructura disminuye, y un aumento de la resistencia requerida (solicitaciones). La mayora de los cdigos de diseo consideran algn ndice o factor para cuantificar la importancia del efecto P-Delta. Usualmente se considera un ndice de estabili-dad que depende de las cargas gravitatorias, del corte basal y de los desplazamientos laterales. En el caso de las especificaciones Minimum Design Loads for Buil-dings and Other Structures (ASCE, 2005) se considera que el efecto P-Delta es despreciable cuando el ndice de estabilidad, , evaluado en cada nivel de la cons-truccin, cumple la siguiente condicin:

1.0Ch V P

d

= (1-3)

donde P es la carga vertical total actuando en el nivel considerado (en la evaluacin de P no es necesario considerar factores de carga mayores a 1.0), es el desplazamiento relativo de piso, V es el corte en el nivel, h la altura del piso y Cd es el factor de amplifica-cin de desplazamientos. El concepto y evaluacin de

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y Cd se presentan en el Captulo 2.

Desplazamiento

Fuer

za la

tera

l

P / h

Fig. 1-7. Influencia del efecto P- en la respuesta global de la estructura.

Se dispone de diversos procedimientos para consi-derar en el anlisis estructural el efecto P-Delta, los cuales presentan distinto grado de complejidad y preci-sin. Las especificaciones AISC 360-05 incluyen un mtodo simplificado que considera la amplificacin de momentos obtenidos de dos anlisis elsticos de primer orden. La mayora de los programas de anlisis estruc-tural cuentan hoy con distintas opciones para conside-rar este efecto. Una de las alternativas ms usadas consiste en calcular la rigidez global de la estructura incluyendo una matriz de rigidez geomtrica. De esta forma es posible determinar sin iteraciones el aumento de solicitaciones y desplazamientos resultante del efec-to P-Delta, tanto en anlisis estticos como dinmicos. Finalmente, otros mtodos plantean el problema como un caso general de no linealidad geomtrica aplicando procedimientos iterativos (Wilson, 2004).

1.4.5. Comportamiento ssmico de las estructuras de acero

El acero es el material ms dctil entre aquellos de uso estructural. Sin embargo, es un error grave considerar que esta propiedad inherente al material se traslada automticamente al sistema estructural. Las investiga-ciones desarrollada en los ltimos 30 aos han demos-trado que para asegurar el comportamiento dctil de las estructuras es necesario suministrar adecuada ductili-dad no slo a nivel del material, sino tambin a nivel seccional y de los miembros que componen el sistema

(columnas, vigas, riostras, conexiones). Para ello se debe, en primer lugar, identificar y conocer las condi-ciones que pueden conducir a mecanismos de falla frgil y, luego, adoptar estrategias de diseo para obte-ner una respuesta estable y con adecuada capacidad de disipacin de energa. El diseo y detalle de las co-nexiones entre los distintos componentes estructurales es un aspecto de fundamental importancia para alcan-zar estos objetivos. Antes de 1988, en generl, no se dispona de especificaciones reglamentarias para el adecuado detalle de estructuras sismorresistentes de acero (Bruneau et al., 1997). Afortunadamente esta situacin se ha revertido y en la actualidad se cuenta con especificaciones que se consideran seguras y con-fiables.

En el caso de estructuras sismorresistente, el control de los fenmenos de inestabilidad resulta ms impor-tante an que en las estructuras comunes, dado que su ocurrencia degrada la respuesta en trminos de resis-tencia y rigidez, disminuyendo as su capacidad de disipar energa. Las especificaciones de diseo inclu-yen requerimientos especficos al respecto, particular-mente en aquellas zonas donde se espera que se des-arrollen deformaciones plsticas (por ejemplos, rtulas plsticas en vigas, zonas fluencia por traccin o corte, etc.)

Los edificios con estructuras de acero, han sido construidos desde hace muchas dcadas, principalmen-te en pases desarrollados econmica y tecnolgica-mente. Los terremotos de Northridge, USA, ocurrido en 1994 (Magnitud Richter 6.8) y de Hyogo-ken Nanbu (Kobe), Japn, en 1995 (Magnitud Richter 7.2) que afectaron zonas de dos pases que son considerados lderes en la ingeniera sismorresistente, representaron pruebas severas para las construcciones metlicas (Ber-tero et al., 1994; Tremblay et al., 1996). En ambos terremotos no se registraron colapsos de edificios con estructura de acero y las primeras inspecciones realiza-das inmediatamente despus del sismo (usualmente desde el exterior del edificio) indicaron un adecuado comportamiento, sin daos observables a simple vista. Esta situacin se consider como un xito de la inge-niera y de la industria de la construccin en acero. Sin embargo, los estudios ms detallados que se realizaron posteriormente revelaron que un nmero importante de edificios, muchos de los cuales fueron diseados con reglamentaciones modernas, se encontraban seriamente afectados. Varias semanas despus de ocurrido el te-rremoto, equipos especializados realizaron inspeccio-nes con el objeto de investigar la ocurrencia de despla-zamientos laterales residuales de importancia. Para ello, se debieron remover los elementos arquitectnicos y la proteccin contra fuego que usualmente cubren la estructura de acero (ver Figura 1-8).

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Fig. 1-8.Edificio bajo inspeccin para observar los daos causados por el terremoto en las conexiones viga-columna (Earthquake Engineering Research

Institute, Slides on the January 17, 1994,Northridge Earthquake, Set I:An Overview).

Los daos afectaron distintos tipos de estructuras de acero, pero los problemas ms sorprendentes y serios se registraron en prticos resistentes a momento (sin arriostramientos), donde se observ un inadecuado comportamiento de las conexiones, particularmente en los nudos viga-columna, con la ocurrencia de distintos tipos de falla por fractura de soldaduras y placas (ver Figuras 1-9 y 1-10).

Como resultado de los daos observados en el te-rremoto de Northridge, se implement en Estados Uni-dos un programa de investigacin analtico-experimental de gran alcance, destinado a analizar las causas de las fallas relevadas y a proponer soluciones aplicables tanto al diseo de nuevas construcciones como a la reparacin de las existentes. Este programa, denominado SAC (siglas surgen del nombre de las tres organizaciones norteamericanas que forman el consor-cio: SEAOC, ATC y CUREE) comprendi tres etapas: (i) el estudio de las prcticas de diseo y constructivas previas al terremoto de Northridge, (ii) el anlisis de las fallas y sus causas y (iii) el desarrollo de nuevos criterios de diseo y detalles para las conexiones. El programa SAC permiti obtener y actualmente se dis-pone de valiosa informacin al respecto publicada por Federal Emergency Managment Agency (FEMA 2000a, 2000b, 2000c, 2000d, 2000e, 2000f). Esta informacin ha sido incorporada en las especificacio-nes ssmicas de AISC (AISC 2005a y AISC 2010) y en recomendaciones de diseo (Miller, 2006). Para mayor

informacin y acceso a las publicaciones consultar la pgina web: http://www.sacsteel.org.

Fig. 1-9. Fractura en una placa de base de columna de una estructura de prtico arriostrado (Earthquake

Engineering Research Institute, Slides on the January 17, 1994, Northridge Earthquake, Set I:An Overview).

Fig. 1-10. Fractura de la soldadura de penetracin completa en una conexin de prtico resistente a mo-mento (Earthquake Engineering Research Institute,

Slides on the January 17, 1994, Northridge Earthqua-ke, Set I:An Overview).

Los resultados obtenidos del programa SAC indican que las causas que llevaron a la ocurrencia de las fallas observadas son mltiples. Entre las ms importantes, puede mencionarse: El uso de electrodos inadecuados, que no califican

para obtener valores de resiliencia requeridos ac-tualmente. Los ensayos realizados sobre probetas obtenidas de edificios con daos por fractura mos-traron valores muy reducidos de resiliencia (me-

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diante ensayo de Charpy en probetas con muesca en V).

La prctica constructiva de dejar elementos de respaldo (steel backing) que, si bien sirven durante el proceso de soldadura de cordones de penetracin completa, generan problemas en la raz de la sol-dadura (ver Figura 1-11)

La presencia de defectos en la raz de la soldadura, que no fueron detectados mediante ensayos de ul-trasonido.

El uso de prcticas constructivas no recomendadas, como el calentamiento excesivo de las piezas a sol-dar para aumentar la velocidad de deposicin del material de soldadura,

Otros efectos adversos, tales como deformaciones de corte excesivas en el panel nodal, efectos de ve-locidad de deformacin (strain rate), efectos de in-teraccin con losas de hormign armado, etc. Los nuevos criterios de diseo y detalles construc-

tivos para conexiones viga-columna se describen en el Captulo 3.

Respaldo

Fig. 1-11. Detalle de la soldadura en el ala inferior de una viga.

Tambin se han observado fallas frgiles por fractu-ra y problemas de inestabilidad en prticos arriostrados concntricamente, que originan un comportamiento no dctil de la estructura. En las Figuras 1-12, 1-13 y 1-14 se reproducen fotografas con ejemplos de estos tipos de fallas, observadas durante el terremoto de Hyogo-ken Nanbu (Kobe), Japn, en 1995.

Fig. 1-12. Fractura de una riostra en X en la seccin neta (Naeim, 2001).

Fig. 1-13. Dao severo en la viga y conexin de un prtico con arriostramientos en V invertida (Naeim,

2001).

Fig. 1-14. Fractura en una conexin soldada (Naeim, 2001).

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Captulo 2 Aspectos generales del diseo sismorresistente

2.1. EL SISMO COMO ACCIN DE DISEO Los sismos son eventos con baja probabilidad de ocu-rrencia y sus consecuencias pueden ser tremendas en trminos de destruccin y del sufrimiento que provo-can. Por estas razones el diseo de estructuras sismo-rresistente presenta particularidades que lo distinguen del diseo para otro tipo de acciones como cargas gra-vitatorias o viento.

El fenmeno ssmico es un problema netamente dinmico, si bien los primeros mtodos para su consi-deracin se basaron en conceptos estticos. Es as que surgi el mtodo de las fuerzas estticas equivalentes, que an hoy se aplica para estructuras relativamente simples (la mayora de los cdigos permiten su aplica-cin para construcciones de baja y mediana altura y de configuracin aproximadamente regular). En este mtodo, el efecto vibratorio del sismo se reemplaza por fuerzas laterales que, en general, siguen una distribu-cin creciente con la altura. El corte basal ssmico se determina a partir de un coeficiente ssmico (igual a la aceleracin horizontal dividida la aceleracin de la gravedad, g) multiplicado por el peso total de la cons-truccin, incluyendo las sobrecargas de uso. El desarro-llo y la difusin de las computadoras personales y de los programas de anlisis estructural han permitido una generalizada aplicacin de mtodos dinmicos para considerar la accin ssmica. En estos mtodos, y de-pendiendo 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 (acele-rogramas). Estos ltimos representan la variacin de la aceleracin del terreno en funcin del tiempo. Los registros de aceleracin se obtienen de mediciones de sismos reales1 o bien se generan artificialmente me-diante programas computacionales para cumplir ciertos requisitos.

Cualquiera sea el mtodo aplicado, se consideran en general cuatro aspectos fundamentales para cuantificar la accin ssmica, a saber: (i) sismicidad propia del lugar, (ii) caractersticas del suelo de fundacin, (iii)

1 El primer registro de aceleracin de un sismo severo

se obtuvo en 1933 en Long Beach, California, y en la actualidad se dispone de bases de datos con numerosos registros, los cuales puede descargarse, por ejemplo, de: http://db.cosmos-eq.org/scripts/earthquakes.plx, o http://peer.berkeley.edu/smcat/

destino o importancia de la construccin y (iv) carac-tersticas principales de la respuesta estructural, vincu-ladas principalmente a su ductilidad y sobrerresisten-cia. Los dos primeros aspectos se definen a travs de un espectro de diseo, normalmente en trminos de aceleraciones horizontales. La importancia de la cons-truccin se cuantifica a travs de un factor que mayora la demanda ssmica para obras de infraestructura pbli-ca, edificios con alta ocupacin, etc. El comportamien-to estructural se representa mediante un factor de modi-ficacin de respuesta, R, el cual se ha calibrado a partir de resultados experimentales y analticos obtenidos para distintos tipos de estructuras; sus implicancias en el diseo se indican posteriormente en este captulo.

Es importante mencionar que usualmente la accin ssmica de diseo se define a partir de aceleraciones (o del coeficiente ssmico para el mtodo esttico), razn por la cual los mtodos que utilizan este criterio se denominan mtodos de diseo basados en fuerza. Este es un criterio tradicional que se utiliza desde los comienzos de la ingeniera ssmica. Sin embargo, en las ltimas dcadas, investigadores y diseadores de distintos pases han comenzado a desarrollar una nueva definicin de la accin ssmica, considerando los des-plazamientos laterales como variable principal de dise-o (Priestley et al, 2007). Es as que han surgido distin-tos mtodos de diseo basado en desplazamiento, los cuales han madurado en su formulacin e implementa-cin, de modo que es muy factible que en un futuro cercano se incorporen paulatinamente a los cdigos de diseo.

El concepto de espectro es de gran importancia para definir y cuantificar la accin ssmica; es por ello que se presentan a continuacin aspectos bsicos sobre los espectros de respuesta y de diseo.

2.1.1. Espectros de respuesta

Se han definido diversos parmetros e indicadores para cuantificar los terremotos y sus efectos. Desde el punto de vista estructural, la aceleracin es uno de los par-metros ms importante para el diseo sismorresistente, ms precisamente a travs de los espectros de acelera-cin (ver Figura 2-1). A travs de ellos, se define la amenaza ssmica de una zona o regin a los efectos del diseo sismorresistente. En forma general, puede defi-nirse espectro como un grfico de la respuesta mxima (expresada en trminos de desplazamiento, velocidad, aceleracin, o cualquier otro parmetro de inters) que

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produce una accin dinmica determinada en una es-tructura u oscilador de un grado de libertad. En estos grficos, se representa en abscisas el periodo propio de la estructura (o la frecuencia) y en ordenadas la res-puesta mxima calculada para distintos factores de amortiguamiento .

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. En la Figura 2-1 se presenta el grfico correspondiente a un espectro de aceleracin.

El concepto de los espectros comenz a gestarse gracias a una idea Kyoji Suyehiro, Director del Institu-to de Investigaciones de la Universidad de Tokyo, quien en 1920 ide un instrumento de medicin forma-do por 6 pndulos con diferentes periodos de vibracin, con el objeto registrar la respuesta de los mismos ante la ocurrencia de un terremoto. Unos aos despus, Hugo Benioff public un artculo en el que propona un instrumento similar al de Suyehiro, destinado a medir el desplazamiento registrado por diferentes pndulos, con los cuales se poda determinar el valor mximo de respuesta y construir una curva (espectro de desplaza-miento elstico) cuya rea sera un parmetro indicador de la destructividad del terremoto. Maurice Biot, en el Instituto Tecnolgico de California, fue quien propuso formalmente la idea de espectros de respuesta elstica; luego Housner, Newmark y muchos otros investigado-res desarrollaron e implementaron este concepto en criterios de aplicacin prctica.

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0 1 2 3 4 5Periodo, T (s)

Ace

lera

cio

n (g

) = 2.5%

5%

7.5%

Fig. 2-1. Espectro elstico de respuesta, en trminos de aceleracin, correspondiente al terremoto de Turqua,

17/8/1999, registro YPT.

2.1.2. Espectros de diseo

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: (i) consideran

la peligrosidad ssmica de una zona o regin y (ii) son curvas suavizadas, es decir, no presentan las variacio-nes bruscas propias de los espectros de respuesta.

La obtencin de las respuestas espectrales, como parte del anlisis de amenaza ssmica, puede realizarse mediante procedimientos probabilsticos o determins-ticos, segn lo que resulte ms conveniente en cada caso (Maguire, 2004; Reiter, 1990).

Desde hace ms de una dcada, se ha desarrollado en Estados Unidos un procedimiento que permite defi-nir los espectros de diseo a partir de lo que se deno-mina 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 (Leyendecker et al., 2000). Se describe a continuacin, en trminos generales, el criterio que adoptan las espe-cificaciones ASCE/SEI 7-05, Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures (ASCE, 2005) para definir el espectro de diseo. El terremoto mximo considerado, MEC, se determina considerando una probabilidad de excedencia del 2% en 50 aos (equiva-lente a un periodo de retorno2 de 2475 aos) y se carac-teriza mediante tres parmetros principales: La aceleracin espectral para periodos cortos

(T=0.2s), SS. La aceleracin espectral para un periodos T=1.0s,

S1. El periodo de transicin para periodos largos, TL

(ver Figura 2-2). Estos parmetros se obtienen de mapas disponibles para todo el pas, y corresponden a un sitio clase B. La clasificacin del sitio se realiza a partir de las propie-dades del suelo y se consideran seis categoras, de la A a la F.

Para sitios cuya clase difiere de la B es necesario modificar la respuesta espectral, de modo de considerar el efecto del suelo, que afecta tanto los valores de ace-leracin como la forma del espectro. Esta modificacin se logra mediante dos coeficientes de sitio, Fa y Fv, que multiplican a las aceleraciones espectrales SS y S1. Los coeficientes Fa y Fv se encuentran tabulados y sus valo-res dependen de la clase de sitio y de los niveles de aceleracin SS y S1.

2 El periodo de retorno TR (o intervalo de recurrencia)

se define como la inversa de la probabilidad de exce-dencia anual, pa, de modo que TR=1/pa. Es usual, sin embargo, indicar la probabilidad de excedencia, pt, durante un cierto periodo de tiempo t (por ejemplo: 50 aos). En este caso, puede demostrarse que TR = -t / ln(1- pt), (Reiter, 1990).

13

Periodo, T

Ac

ele

rac

in

e

spe

ctr

al

0.4SDS

SDS

SS

S1

SD1

TO 0.2s TS 1.0s TL

2/3 Fa

2/3 Fv

Fig. 2-2. Espectro de diseo considerado por las espe-cificaciones ASCE/SEI 7-05.

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

SDS = 2/3 Fa SS

SD1 = 2/3 Fv S1 (2-1) donde el factor 2/3 representa un margen ssmico para transformar el espectro MCE, que corresponde a un nivel de colapso, en otro a nivel de diseo. Como consecuencias de dividir por 2/3, se obtiene un margen uniforme contra el colapso, pero no una probabilidad de ocurrencia uniforme de los espectros obtenidos para distintos sitios (Leyendecker et al., 2000).

Las modificaciones indicadas de los parmetros de referencia SS y S1 se representa esquemticamente en la Figura 2-2 mediante flechas. Debe notarse, sin embar-go, que en ciertos casos los parmetros de diseo pue-den ser mayores que los del espectro MCE cuando los factores de sitio Fa o Fv son mayores de 1.5 (lo cual puede ocurrir en suelos blandos).

Finalmente, para obtener el espectro completo, que consta de cuatro ramas (ver Figura 2-2) se determinan los periodos de transicin TO y TS mediante las siguien-tes expresiones:

TO = 0.2 SD1 / SDS

TS = SD1 / SDS (2-2) En la Figura 2-3 se presenta, a modo de ejemplo,

dos tpicos espectros de aceleracin para diseo corres-pondientes a sitios clase B y E. Adems se incluyen en esa figura (en lnea de trazo) los espectros de despla-zamientos deducidos a partir de los de aceleracin3.

3 Recordar que los valores de desplazamiento espectral,

SD, puede derivarse de la aceleracin espectral (estric-tamente es la seudo-aceleracin), SA, mediante la rela-cin:

A2

2

D S 4piTS = .

Es muy importante aclarar que las aceleraciones es-pecificadas mediante los espectros de diseo de los cdigos para cuantificar la accin ssmica no represen-tan necesariamente los mximos que podran ocurrir en esa zona o regin. Ms bien representan un nivel de movimiento ssmico que se considera aceptable a los efectos del diseo (AISC, 2006). La aplicacin de las especificaciones reglamentarias (por ejemplo AISC 341-05 y 360-05) asegura que la estructura presenta una adecuada ductilidad para evitar el colapso ante la ocurrencia de un sismo severo.

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

0 1 2 3 4 5Periodo, T (s)

Ace

lera

cin

es

pect

ral (g

)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Des

plaz

amie

nto

es

pect

ral (m

)

Sitio B

Sitio E

Fig. 2-3. Ejemplos de espectros de aceleracin para diseo segn ASCE/SEI 7-05 y los espectros de despla-

zamiento calculados a partir de los primeros.

2.1.3. Accin vertical del sismo

Los espectros descriptos previamente se utilizan para definir la accin ssmica horizontal. Los reglamentos de diseo, normalmente, incluyen tambin requeri-mientos para considerar el efecto de la accin ssmica vertical. Esta consideracin se debe a que el movimien-to del suelo, resultante de la propagacin de las ondas ssmicas, presenta tambin una componente en la di-reccin vertical. En el caso de las normas ASCE/SEI 7-05 (ASCE, 2005) se considera una aceleracin espec-tral constante (que no es funcin del periodo) igual a 0.2 SDS. La aceleracin as definida se considera que acta sobre la masa vinculada a las cargas permanen-tes, de modo que se tiene una efecto vertical igual a 0.2 SDS D (donde D representa la carga permanente).

2.2. DISEO POR CAPACIDAD El mtodo de diseo por capacidad se desarroll origi-nalmente en Nueva Zelanda para estructuras de hor-mign armado. En la actualidad, es aceptado interna-cionalmente 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 componen 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 compo-

SA=SD1/T

SA=SD1TL/T2

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nentes o zonas de la estructura sismorresistente, los cuales son diseados y detallados para disipar energa en forma dctil y estable. En estas zonas crticas, de-nominadas comnmente rtulas plsticas, el sismo induce deformaciones plsticas por flexin y se evitan otros mecanismos de falla mediante un incremento de la resistencia asignada (por ejemplo fallas de corte en los miembros de hormign armado o problemas de pandeo local en secciones de acero). Todos los dems componentes se protegen de la posibilidad de falla asignando una resistencia mayor que la correspondien-te al desarrollo de la mxima resistencia esperada en las potenciales regiones de plastificacin (Paulay y Priestley, 1992).

En el caso de prticos, la rtula plstica se asocia a una zona de disipacin de energa por flexin, pero el concepto puede ampliarse a otras estructuras con zonas donde se produce fluencia por corte, traccin, traccin- compresin, o incluso a dispositivos especialmente diseados como disipadores de energa. De esta forma, el diseo por capacidad permite contrarrestar las incer-tidumbres existentes para definir la demanda ssmica y asegura que la estructura responda en forma estable y con adecuada capacidad de disipacin de energa.

Las especificaciones AISC 341-05 incorporan los conceptos del diseo por capacidad para la verificacin de ciertos componentes, por ejemplo columnas, consi-derando las solicitaciones inducidas cuando se desarro-lla 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, o. Este as-pecto se explica con ms detalle en secciones subsi-guientes de este captulo.

2.3. FILOSOFA DEL DISEO SISMORRESIS-TENTE

Los cdigos de diseo estructural usualmente indican el nivel general de proteccin que debe esperarse de ellos. Para las estructuras sismorresistentes la mayora de los cdigos establece requerimientos mnimos para asegurar la proteccin de la vida humana (esto es, evi-tar el colapso parcial o total) pero sin controlar el dao que puede resultar de la accin ssmica.

Las estructuras sismorresistentes, salvo casos espe-ciales, se disean para responder en rango inelstico, de modo de desarrollar ductilidad y disipar energa duran-te 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. El dao que produ-ce el terremoto tiene un costo de reparacin, pudiendo ser significativo segn el tipo y la cantidad de compo-

nentes afectados, las tcnicas de reparacin requeridas., etc.

Este criterio difiere significativamente del aplicado, por ejemplo, para acciones laterales por viento, donde la estructura se disea con el objetivo de permanecer en rango esencialmente elstico. La razn principal de esta diferencia es fundamentalmente econmica, a los efec-tos de que los costos de construccin sean aceptables. Es por ello que las fuerzas obtenidas a partir del espec-tro de diseo (espectro elstico) son reducidas median-te 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:

R = R o (2-3) Para explicar los conceptos anteriores resulta til

analizar la respuesta estructural mediante un diagrama corte basal- desplazamiento lateral, como se muestra en la Figura 2-4. El nivel de fuerza definido por el espec-tro de diseo se representa mediante el corte basal elstico, Ve, mientras que el nivel de diseo se indica mediante el corte basal VD. Este nivel representa el inicio de la fluencia, cuando la estructura abandona el comportamiento lineal y elstico. El factor R reduce las fuerzas a un nivel correspondiente al estado lmite ltimo o de resistencia, no a un nivel de servicio.

A medida que los desplazamientos aumentan, la respuesta es no lineal y la estructura es capaz de des-arrollar una resistencia mayor que VD. La respuesta real de la estructura puede aproximarse mediante una res-puesta bilineal equivalente, a los efectos de definir el nivel de fluencia (con corte basal VY).

El factor de sobrerresistencia o tiene en cuenta la reserva de resistencia entre los niveles VY y VD, la cual surge de la redundancia estructural, de la sobrerresis-tencia de los materiales, del sobredimensionamiento de los miembros, de combinaciones de cargas distintas al sismo, de lmites de distorsin de piso, etc. En los co-mentarios de la recomendacin FEMA 450, NEHRP Recommended Provisions for Seismic Regulations For New Buildings and Other Structures (FEMA 2003) se presenta una detallada descripcin conceptual del fac-tor o y se analiza el mismo considerando que su valor est determinado por tres factores o = D M S. Estos tres factores representan la sobrerresistencia de diseo, la debida al material y la del sistema, respecti-vamente.

El factor de reduccin R considera la ductilidad del sistema (definida como = S / Y) que proporcio-nan los componentes con capacidad para disipar energ-a. El factor R cuantifica la diferencia entre el nivel de respuesta elstica, Ve, y la resistencia Vy de la estructu-ra.

El uso del factor de modificacin de respuesta sim-plifica el proceso de diseo, porque el ingeniero estruc-tural slo debe realizar un anlisis elstico, an cuando la estructura se deforme en rango no lineal. Sin embar-go, es importante resaltar que el anlisis elstico no

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permite evaluar adecuadamente los desplazamientos laterales, dado que los obtenidos por ese procedimiento (e) son menores que los desplazamientos que se pro-ducirn en rango inelstico. Esta es la razn por la cual se considera un factor de amplificacin de desplaza-mientos, Cd, para estimar los desplazamientos de dise-o S, como se indica esquemticamente en la Figura 2-4.

Desplazamiento

Cort

e ba

sa

l

Respuesta elstica

VD

VY

Ve

Ye S

RR

O

Respuesta real

Respuesta bilineal equivalente

Corte basal de diseoCd

A

B C

Fig. 2-4. Respuesta global del sistema, con indicacin de los factores R, o y Cd.

Puede concluirse que las acciones se definen a par-tir de un espectro de diseo considerando el compor-tamiento 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 ade-cuada 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).

El factor de sobrerresistencia se utiliza luego en el diseo de ciertos componentes de estructuras dctiles, por ejemplo columnas, con el objeto de aplicar concep-tos del diseo por capacidad. Es decir, que esos com-ponentes estructurales no se disean para resistir las solicitaciones correspondientes a la accin ssmica VD sino para resistir las solicitaciones que se inducen cuando la estructura desarrolla su resistencia real (o VD).

Los valores del factor de modificacin de respuesta R, del factor de sobrerresistencia o y del factor de amplificacin de desplazamientos Cd. se encuentran tabulados en los respectivos cdigos en funcin del tipo y material de la estructura. La evaluacin de di-chos factores, particularmente de R, se ha desarrollado a lo largo de varias dcadas, de modo que en la actuali-dad se dispone de informacin confiable para los dis-tintos tipos estructurales. La Tabla 2-1 presenta los

valores correspondientes a estos factores para distintos tipos de estructuras metlicas, de acuerdo con las espe-cificaciones ASCE/SEI 7-05.

Del anlisis de la Tabla 2-1 se observa que un mis-mo tipo estructural puede disearse con distintos valo-res de R, a criterio del ingeniero estructural, segn sea la categora que se adopte. Por ejemplo, para los prti-cos no arriostrados especiales se adopta R=8 y para los ordinarios R=3.5, lo cual implica que el corte basal de diseo, VD, ser significativamente mayor en este lti-mo caso. Sin embargo, los prticos ordinarios se verifi-can con criterios menos estrictos y los detalles cons-tructivos y las conexiones son ms simples y econmi-cas. Tambin se deduce de dicha tabla que la reduccin por ductilidad (R = R / o, segn Ecuacin 2-3) adop-ta valores comprendidos entre 4 y 3 para las estructuras con mayor capacidad de disipar energa, y vara entre 1.5 y 2 para las estructuras menos dctiles. Para el caso extremo de estructuras sin detalles sismorresistentes (ltima fila de la Tabla 2-3), el factor de reduccin por ductilidad es 1.

2.4 DESPLAZAMIENTOS LATERALES Y DIS-TORSIN DE PISO El desplazamiento lateral que experimentan las estruc-turas por acciones como viento o sismo es una variable de importancia en el diseo, debido a su vinculacin con tres aspectos: (i) la estabilidad estructural y el dao, (ii) el control de dao en elementos no estructu-rales, y (iii) el confort de los usuarios de la construc-cin. En el caso de la accin ssmica, el tercer aspecto no es significativo dado que el objetivo primario del diseo es evitar la prdida de vidas humanas. Como se indic previamente, los desplazamientos calculados a partir del anlisis elstico no representan adecuadamente el nivel al cual debe plantearse la veri-ficacin (punto B en Figura 2-4). Los desplazamientos laterales en estructuras sometidas a la accin ssmica de diseo son mayores por el desarrollo de la ductilidad. Es por ello que los cdigos utilizan un factor de mayo-racin para obtener los valores de los desplazamientos de diseo. Durante mucho tiempo, se utiliz el mismo factor R tanto para reducir las fuerzas elsticas como para amplificar los desplazamientos, fundamentando este criterio en el principio de igual desplazamiento. El mismo indica que el desplazamiento mximo origi-nado por la accin ssmica en un sistema elstico es igual al desplazamiento mximo en el sistema no line-al, para el caso de estructuras con periodos mayores que un periodo caracterstico del terreno. Este conocido principio en realidad no es tal, sino que representa una observacin deducida a partir valores promedios obtenidos de resultados de anlisis dinmicos.

Tabla 2-1. Valores de los factores R, o y Cd, segn ASCE/SEI 7-05.

Sistema sismorresistente R o Cd Prticos no arriostrados especiales 8 3 5.5 Prticos no arriostrados espe- 7 3 5.5

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ciales con vigas reticuladas Prticos no arriostrados intermedios 4.5 3 4 Prticos no arriostrados ordinarios 3.5 3 3 Prticos arriostrados excntri-camente con conexiones viga-columna a momento fuera del enlace dctil

8 2 4

Prticos arriostrados excntri-camente sin conexiones viga-columna a momento fuera del enlace dctil

7 2 4

Prticos arriostrados excntri-camente en sistemas duales con prticos no arriostrados especiales capaces de resistir al menos el 25% de la fuerza de diseo.

8 2.5 4

Prticos especiales arriostrados concntricamente 6 2 5 Prticos ordinarios arriostrados concntricamente 3.25 2 3.25 Prticos especiales arriostrados concntricamente en sistemas duales con prticos no arrios-trados especiales capaces de resistir al menos el 25% de la fuerza de diseo.

7 2.5 5.5

Prticos especiales arriostrados concntricamente en sistemas duales con prticos no arrios-trados intermedios capaces de resistir al menos el 25% de la fuerza de diseo.

6 2.5 5

Prticos con riostras de pandeo restringido con conexiones viga-columna a momento

8 2.5 5

Prticos con riostras de pandeo restringido sin conexiones viga-columna a momento

7 2 5.5

Prticos con riostras de pandeo restringido en sistemas duales con prticos no arriostrados especiales capaces de resistir al menos el 25% de la fuerza de diseo

8 2.5 5

Muros de corte con placas de acero en sistemas duales con prticos no arriostrados espe-ciales capaces de resistir al menos el 25% de la fuerza de diseo

8 2.5 6.5

Estructuras de acero sin deta-lles sismorresistentes (exclu-yendo sistemas con columnas en voladizo)

3 3 3

En la actualidad, algunos cdigos consideran facto-res diferentes para calcular los desplazamientos inels-ticos, como en el caso de las reglamentaciones nortea-mericanas que utilizan para ese fin el factor Cd, de modo que el desplazamiento de diseo se determina como:

I Cd = (2-4)

donde I es factor de importancia, cuyo valor se encuen-tra tabulado (para el reglamento ASCE/SEI 7/05 vara entre 1.0 y 1.5).

En los procedimientos de diseo basados en fuerza, el control de desplazamientos se plantea como una

verificacin adicional, que en el caso de estructuras flexibles, como los prticos no arriostrados, puede resultar en una modificacin del diseo. Como parme-tro de control usualmente se considera el desplaza-miento relativo de piso, , definido como la diferencia entre los desplazamientos horizontales ltimos corres-pondientes al nivel superior e inferior del piso, o bien la distorsin horizontal de piso, i, definida por (ver Figura 2-5):

( ) h h i

1

i

== iiii (2-5)

A nivel global, tambin se puede definir la distor-sin de piso total como la relacin entre el desplaza-miento total y la altura del edificio:

h TT

T = (2-6)

Los valores lmites para los casos ms usuales var-an entre 0.01 y 0.02 dependiendo del tipo de estructu-ra, la categora de ocupacin, etc.

2.5 ESTADOS DE CARGA Y ANLISIS

2.5.1. Factor de redundancia

La redundancia estructural es un concepto importante en el diseo sismorresistente (inicialmente fue introdu-cido por el Cdigo UBC en 1997, Bertero y Bertero, 1999) y distintos reglamentos consideran explcita o implcitamente su influencia. Tradicionalmente se define la redundancia como el nmero de ecuaciones que se requiere para la solucin de un problema estruc-tural, en adicin a las ecuaciones de equilibrio. Esta definicin se basa en aspectos vinculados al anlisis, pero resulta inadecuada desde el punto de vista del diseo sismorresistente. Es por ello que la redundancia se relaciona con la configuracin estructural de la cons-truccin y con la posibilidad de falla de sus componen-tes. Un sistema estructural compuesto por mucho com-ponentes diseados para resistir la accin ssmica y en los cuales las fuerzas laterales se distribuyen entre gran parte de esos componentes, presenta un probabilidad de falla menor que un sistema con pocos componentes.

Bertero y Bertero (1999) indicaron que los efectos benficos ms importantes de la redundancia son la distribucin de la disipacin de energa en la estructura, evitando la concentracin de dao y la reduccin de la demanda de desplazamientos y ductilidad como conse-cuencia de efectos torsionales en rango elstico. Es por ello que las normas norteamericanas consideran un factor de redundancia, , cuyo objeto es el de aumentar la accin ssmica de diseo en el caso de sistemas me-nos redundantes. Se consideran dos casos, con valores de 1.0 y 1.3. En forma general, el valor ms elevado corresponde a estructuras donde la remocin de una riostra o de una viga resulta en una reduccin del 33%

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o ms de la resistencia lateral del piso. Este factor se aplica al estado de carga ssmica, segn se indica en la seccin siguiente.

Fig. 2-5. Deflexin lateral de la estructura y definicin de la distorsin de piso.

Es importante mencionar que la consideracin del factor de redundancia para incrementar la accin ssmi-ca en estructuras con baja redundancia implica, prcti-camente, una reduccin del factor de modificacin de respuesta R. Desde el punto de vista conceptual, puede concluirse que son tres los aspectos principales que afectan la respuesta de la estructura ante la accin ssmica: la ductilidad, la sobrerresistencia y la redun-dancia estructural. De este modo, la Ecuacin 2-3 pue-de modificarse para incluir estos tres factores explci-tamente en una nica expresin:

R = R o 1/ (2-5)

2.5.2. Combinaciones de carga con accin de sismo

Las especificaciones ssmicas para construcciones de acero requieren que la resistencia requerida se determi-ne a partir de las combinaciones de carga estipuladas en el cdigo de aplicacin (por ejemplo el ASEC/SEI 7-05, ver Ecuaciones 1-2 y 1-3). En la consideracin de la accin ssmica debe considerarse el efecto de la vibracin vertical, Ev, segn se explic previamente en la Seccin 2.1.2, y el factor de redundancia estructural, , definido en la Seccin 2.5.1. Es por ello que se apli-ca el siguiente criterio: En las combinaciones de carga 5 y 6 del mtodo

ASD (Ecuaciones 1-1) y en la combinacin 5 del

mtodo LRFD (Ecuaciones 1-3), el efecto de la carga ssmica se determina como:

E = Eh + Ev (2-6) En la combinacin de carga 8 del mtodo ASD

(Ecuaciones 1-1) y en la combinacin 7 del mtodo LRFD (Ecuaciones 1-3), el efecto de la carga ssmica se determina como:

E = Eh - Ev (2-7) donde Eh representa el efecto de la accin ssmica hori-zontal.

Adicionalmente, las especificaciones ssmicas AISC 341-05 requieren, en ciertos casos, que la deter-minacin del efecto ssmico se realice considerando el factor de sobrerresistencia o (cargas ssmicas amplifi-cadas). Para ello, el efecto ssmico que se introduce en las combinaciones de carga se define como:

E = o Eh Ev (2-8) donde el signo del efecto ssmico vertical se aplica segn corresponda. Este criterio se aplica en el diseo de componentes de estructuras dctiles, en los cuales se contemplan los principios del diseo por capacidad. De esta forma, se trata de disear ciertos componentes con un nivel de resistencia requerida mayor, resultante del desarrollo del mecanismo plstico. Las especificacio-nes indican explcitamente cundo deben considerarse las cargas ssmicas amplificadas, por ejemplo para el diseo de columnas con carga axial elevada, bases de columnas, conexiones de riostras, etc.

2.5.3. Mtodos de anlisis

Los mtodos de anlisis han evolucionado paulatina-mente segn los avances de la ingeniera sismorresis-tente y el desarrollo y difusin de la computadora como herramienta de clculo. 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 construccio-nes 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

Finalmente, los reglamentos contemplan la posibi-lidad de realizar anlisis dinmicos con integracin temporal, definiendo la accin ssmica mediante varios registros de aceleracin. Estos registros pueden ser obtenidos de sismos reales o bien generarse artificial-mente y, cualquiera sea el caso, deben cumplir con requisitos especiales a los efectos de asegurar que re-presentan adecuadamente el terremoto de diseo. De esta forma, se puede representar la naturaleza dinmica de la accin ssmica, si bien el volumen de los datos de

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salida es significativamente mayor que en los otros mtodos, debido a que todas las variables (solicitacio-nes y desplazamientos) son funciones temporales y deben seleccionarse sus valores mximos a los efectos del diseo. El cdigo ASCE/SEI 7-05 permite tambin realizar anlisis dinmicos inelsticos, es decir, consi-derando 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 profun-dos de la dinmica no lineal.

Los lectores interesados en profundizar sobre los mtodos dinmicos pueden consultar los textos de Clough y Penzien (1993), y Chopra (2006), que repre-sentan excelentes referencias sobre estos temas.

2.6. TIPOS ESTRUCTURALES PARA CONS-TRUCCIONES DE ACERO

Las estructuras de acero han evolucionado a lo largo de ms de un siglo como resultado de la experiencia obte-nida por la industria de la construccin y de numerosas investigaciones destinadas a optimizar su uso. Este avance ha permitido desarrollar distintos tipos de es-tructuras sismorresistentes, los cuales presentan varia-ciones no solo en su comportamiento estructural, sino tambin diferencias constructivas, funcionales y econmicas. Esto le permite al ingeniero estructural seleccionar la solucin ms adecuada para casos parti-culares.

En las secciones siguientes se describen, en trmi-n