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JORNADAS DE ACTUALIZACIÓN TÉCNICA - ESTRUCTURAS METÁLICAS SISMORRESISTENTES

JORNADAS DE ACTUALIZACIÓN TÉCNICA

ESTRUCTURAS METÁLICAS SISMORRESISTENTES

MÓDULO 1: Situación reglamentaria.

Construcciones sismorresistentes de acero

Ing. Francisco Javier Crisafulli

Ing. Eduardo Daniel Quiroga

Ushuaia, 21 y 22 de Setiembre de 2017

Provincia de Tierra del Fuego, A. e I. del A. S.

Ministerio de Obras y Servicios Públicos

Auspician:


MODULO 1

Situación reglamentaria. Aspectos principales de los Reglamento

CIRSOC para estructuras de acero

Construcciones sismorresistentes de acero. Aspectos generales,

ventajas y desventajas. El acero como material estructural. Tipos de

acero y perfiles.

2


SITUACIÓN REGLAMENTARIA:

Desde el comienzo de los años 2000, la normativa argentina para

estructuras de acero se basa, en general, en los reglamentos

preparados por AISC (American Institute of Steel Construction).

Esos reglamentos y bibliografía adicional pueden descargarse

gratuitamente de: https://www.aisc.org/.

Las dos referencias principales son:

• ANSI/AISC 360-16: Specification for Structural Steel Buildings.

• ANSI/AISC 341-16: Seismic Provisions for Structural Steel

Buildings.

3

https://www.aisc.org/



CIRSOC 301 - 2005

4

• Aplicable a elementos estructurales de acero

laminado o armados con perfiles laminado y/o

chapas, y sus uniones.

• También elementos formados por tubos con

costura de sección circular, a excepción de sus

uniones.

• En estructuras de edificios con diversos

destinos, sean provisorias o permanentes,

incluyendo marquesinas, carteles o similares.

• No es aplicable a puentes ferroviarios o

carreteros.



CIRSOC 302 - 2005

5

• Aplicable a elementos estructurales de acero

realizados con tubos estructurales con y sin

costura (de sección circular, CHS, y rectangular,

RHS), y sus uniones.



incluyendo soportes de tuberías, marquesinas,

carteles o similares.

• Los tubos rectangulares incluyen a los de

sección rectangular y cuadrada con esquinas

redondeadas.



CIRSOC 303 - 2009

6

• Aplicable a elementos estructurales con

secciones abiertas conformadas o plegadas en

frio a partir de chapas de acero al carbono o de

baja aleación de no mas de 25.4 mm de

espesor.



incluyendo soportes de tuberías, marquesinas,

carteles o similares.

• Estructuras sometidas a cargas

predominantemente estáticas.

• Incluye un caso de secciones armadas:

• Otras secciones no incluidas se podrán usar si

las resistencias de diseño y su rigidez son

avaladas por apropiadas teorías y corroboradas

por ensayos realizados según las

especificaciones del Capítulo F.



CIRSOC 304 - 2007

7

• Requerimientos para el diseño, fabricación y

montaje de estructuras de acero con

conexiones soldadas.

• Incluye requerimientos relacionados con la

elaboración de procedimientos de soldadura y

su calificación.

• Aplica para las estructuras de acero

comprendidas en los reglamentos CIRSOC 301,

302, 303 y 308

• Inspección y control de calidad. Criterios para la

inspección visual de juntas soldadas.



CIRSOC 305 - 2007

8

• Requerimientos para el diseño de uniones

abulonadas y la instalación e inspección de los

medios de unión.

• Bulones de alta resistencia ASTM 325, ASTM

490, ISO 8.8 e ISO 10.9

• Pasador: conjunto formado por bulón, arandela

y tuerca que sirve para trasmitir fuerzas.



CIRSOC 306 - 2014

9

• Requisitos para el diseño, cálculo, construcción

y montaje de estructuras de acero para antenas

o soportes de antenas.

• Incluye criterios para la determinación de

acciones de viento y nieve y métodos de

análisis.

• No es de aplicación para estructuras que

soportan antenas pero han sido diseñadas

principalmente para otras aplicaciones

(tanques, torres de trasmisión, puentes, etc.)



CIRSOC 308 - 2007

10

• Aplicable a elementos estructurales de acero,

armados con:

(i) cordones y planos de celosía formados por

barras de sección circular maciza, o

(ii) cordones de perfiles L o T laminados en

caliente y planos de celosía formados por

barras de sección circular maciza,

y sus uniones.



incluyendo marquesinas, carteles, soportes o

similares.

• No es aplicable al caso de elementos

estructurales sometidos a efectos de fatiga.



INPRES-CIRSOC 103, IV - 2005INPRES-CIRSOC 103, I - 2013

11

INPRES-CIRSOC 103, V – 2015: Soldadura de estructuras de acero sismorresistentes


Proyectos CIRSOC en Discusión Pública Nacional durante 2016-2017

• Proyecto de Reglamento CIRSOC 301-2017- Reglamento Argentino

de Estructuras de Acero para Edificios.

• Proyecto de Comentarios al Reglamento CIRSOC 301-2017-

Reglamento Argentino de Estructuras de Acero para Edificios.

• Proyecto de Recomendación CIRSOC 301-1- Recomendación para

el Proyecto de Pórticos de Acero con Elementos de Altura de Alma

Variable.

• Proyecto de Ejemplos de Aplicación del Reglamento CIRSOC 301-

2017- Reglamento Argentino de Estructuras de Acero para

Edificios.

12


ESTRUCTURAS SISMORRESISTENTES DE ACERO

El acero como material estructural

13


Bibliografía

14


Bibliografía

15


Bibliografía

http://www.construccionenacero.com/sites/

construccionenacero.com/files/publicacion/

diseno_sismorresistente_de_construccion

es_de_acero-4ta_ed.pdf 16


17

Material con alta resistencia a fluencia y rotura

Secciones esbeltas, posibilidad de cubrir grandes luces, diversidad de formas, etc.


18


Secciones esbeltas

Pandeo global y local.

Problemas de inestabilidad


19

Secciones esbeltas


Problemas de inestabilidad

Pandeo lateral-torsional (en miembros flexionados).


20

Proceso constructivo industrializado:

• Reducción en los tiempos de obra.

• Es conveniente modular para optimizar el diseño y la construcción.


21

Proceso constructivo industrializado:

• Estructuras versátiles para solucionar distintos problemas y adaptarse a situaciones diversas.

Ontario College of Art and Design. Ampliación


22

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 200 400 600 800 1000

Temperatura (oC)

Varl

or

rela

tiv

oProblemas estructurales del acero expuesto al fuego

A temperaturas elevadas (del orden de 300-400 °C), la resistencia y rigidez del acero disminuyen.

Fy / Fy 20ºC

E / E20ºC


23

Problemas estructurales del acero expuesto al fuego

Soluciones para proteger el acero:

1. Recubrimiento o relleno con hormigón.

2. Recubrimientos con spray o morteros proyectables: materiales con base cementicia y agregados de fibras de vidrio. Conductividad térmica: 0.12 W/mK

3. Pinturas intumescentes (con o sin esmaltes ignífugos).


Protección contra el fuego: pinturas intumescentes

24


25

Estructuras compuestas (o mixtas) acero-hormigón:

1. Miembros compuestos embebidos 2. Miembros compuestos rellenos

(a)

(b)


26

Estructuras compuestas (o mixtas) acero-hormigón:

3. Vigas compuestas con conectores de corte

4. Losas compuestas

El reglamento AISC 360-16 incluye las estructuras mixtas. En Argentina se incorporarán en el reglamento CIRSOC 309 (en preparación).


27

Propiedades del acero: curva tensión-deformación

Tensión

Límite de proporcionalidad

Módulo de elasticidad, E (pendiente de la recta)

Resistencia a la tracción o

tensión última

Deformación máxima, εu

Tensión de fluencia

Deformación de fluencia, εy

Rotura por tracción

Deformación


28

Propiedades del acero:

• Módulo de elasticidad, E: 200.000 MPa.

• Tensión de fluencia, Fy

• Resistencia a la tracción, Fu

• Deformación de fluencia, εy

• Deformación máxima, εu

• Ductilidad: es la capacidad del material de deformarse en rango inelástico y se define como la relación entre la deformación máxima y la de fluencia:

μ = εu / εy.

Esta propiedad es muy importante para construcciones sismorresistentes de acero, dado que en estos casos los códigos de diseño usualmente admiten que la estructura se deforme en rango inelástico.

Tensión

Deformación

Ductilidad, μ

εy εu


29

Sobrerresistencia del material

Ry: relación entre la tensión de fluencia esperada y la especificada (nominal), con valores entre 1.1 y 1.5.

AISC 341-16 también incluye Rt: relación entre la resistencia a la tracción esperada y la especificada (nominal), con valores entre 1.1 y 1.2.

Tensión

Deformación

Resistencia a la tracción

Tensión

de fluencia

Ry

Rt

Respuesta esperada

Respuesta mínima especificada


30

Deplazamiento

Fuerza sísmica

Ry

Acción sísmica

Columna: Elemento dúctil. Rótula plástica en la base

Unión tipo empotramiento

Base de fundación

Efecto de la sobrerresistencia del material

Zona de formación de rótula plástica


31

Efecto Bauschinger: cuando las cargas se aplican en forma cíclica, luego de incursionar en rango plástico, el paso de la rama de carga o recarga a la rama de fluencia se produce en forma gradual, sin mostrar un quiebre marcado del diagrama.

Tensión, F

Deformación,

E

Fy

-Fy

E

E

Efecto

Bauschinger

Efecto

Bauschinger


32

Ensayo de Charpy: mide la energía requerida para fracturar la probeta (con entalladura) mediante la medición de la altura inicial y final de un péndulo que impacta sobre la misma.

10mm

10m

m

55mm

Probeta

Ensayo

Hf

Hi

Cuando se usan perfiles pesados (con espesores iguales o mayores a 38 mm) o placas de acero con espesores iguales o mayores de 50 mm , las especificaciones sísmicas requieren que se realicen ensayos de Charpy sobre probetas con muesca en V

Debe verificarse que la energía absorbida en el impacto sea mayor que 27 J a 21 oC.


33


34

Factores que afectan la ductilidad

• Desgarramiento laminar (lamellar tearing)

• Fatiga de bajo ciclaje

• Otros: problemas derivados de la soldadura (calentamiento-enfriamiento, fragilización por hidrógeno) y las técnicas de fabricación (corte, perforación, etc).

Desgarramiento laminar

Dire

cción

de

lam

inac

ión

No recomendable Recomendable

Planos con micro-fisuración Ejemplos del control del desgarramiento laminar mediante detalles adecuados


35

Fatiga de bajo ciclaje

La fractura se produce luego de la repetición de un número reducido de ciclos en los que se han desarrollado deformaciones plásticas. La falla ocurre a un nivel de deformaciones menor que la deformación última del material obtenida del ensayo monotónico de tracción.

Am

plit

ud d

e d

efo

rmaci

ón,

Número de inversiones de carga, 2 Nf

deformación

elástica

c

b

deformación

plástica

deformación

total

´f

´f

222

pea

cff

b

f

f

a NNE

22 ,

,

Amplitud de deformación:

/E


36

Aceros estructurales Las características del acero estructural se definen a partir de su resistencia a fluencia, la cual se determina experimentalmente mediante el ensayo de tracción.En Argentina, las normas IRAM-IAS definen los siguientes aceros:

Perfiles laminados:

F-20

F-24 (similar a DIN St 37 o ASTM A36)

F-26

F-36 (similar a DIN St 52 o ASTM A572 Grado 50)

Chapas:

F-22

F-24

F-26

F-30

F-36


37

Aceros estructurales El INPRES-CIRSOC 103, Parte IV presenta los siguientes requerimientos sobre la calidad del acero:


38

Aceros estructurales El CIRSOC 303, presenta los siguientes requerimientos sobre la calidad del acero para secciones de chapa plegada:

Fu / Fy 1.10

u 0.12 (Lo=50mm) o u 0.10 (Lo=100 mm)


39

Secciones disponibles – Perfiles laminados

Perfil I estándar Perfil I ancho (W) - IPB

x

y

x

y

Ángulo de alas iguales Ángulo de alas desiguales

x

y

x

y

x

y

x

y

Ver TABLAS DE PERFILES editada por CIRSOC:https://www.inti.gob.ar/cirsoc/pdf/publicom/tablas.pdf


40

Perfil I soldado Perfil I soldado con alas desiguales

Perfil tipo “cajón”

Perfiles laminados canal soldados

Perfiles laminados canal soldados con chapas

Perfil laminado Ireforzado


41

Otros elementos estructurales de acero

• Chapas para cerramiento

• Chapas planas

• Secciones de chapa plegada o secciones conformadas en frio.

• Barras de sección maciza circular, cuadrada o rectangular (para tensores)

• Cables


42

Chapas gruesas Espesor Peso

pulg. mm N/m2

1/8 3.18 245.4

3/16 4.76 368.1

1/4 6.35 490.9

5/16 7.94 613.6

3/8 9.53 736.3

7/16 11.10 858.0

1/2 12.70 981.7

9/16 14.30 1105.4

5/8 15.90 1229.1

11/16 17.50 1352.8

3/4 19.10 1476.4

13/16 20.60 1592.4

7/8 22.20 1716.1

15/16 23.80 1839.7

1 25.40 1963.4

1 1/4 31.70 2450.4

1 1/2 38.10 2945.1

1 3/4 44.40 3432.1

2 50.80 3926.8

2 1/2 63.50 4908.6

3 76.30 5898.0

No se incluyen chapas finas

• Calibre B.W.G. (Birminghan WireGauge)

• Calibre B.G. (Birmingham Gauge)


43

Conexiones

• Conexiones abulonadas:

• Conexiones soldadas:

o filete (fillet weld)o ranura o de penetración (groove

weld)o muesca o tapón (plug or slot weld)o de punto (tack weld)

o tipo aplastamiento (bearing-type)

o de deslizamiento crítico o fricción (slip-critical)


44

Método de diseño LRFD (load and resistance factor design)

El método se basa en la evaluación de una serie de estados límites, los que pueden definirse como una condición aplicable a toda la estructura o a uno de sus componentes, más allá de la cual no queda satisfecho el comportamiento requerido o esperado.

Los estados límites se dividen en dos grupos:

1. Estados límites de servicio, ELS: son aquellos vinculados a condiciones de

funcionamiento y su incumplimiento puede afectar el normal uso de la

construcción. Como ejemplo, puede mencionarse el control de deformaciones

excesivas en vigas o de vibraciones en un entrepiso cuando se someten a cargas

de servicio.

2. Estados límites de resistencia (o últimos), ELU: son los relacionados con la

capacidad resistente ante cargas últimas y se vinculan directamente con la

seguridad estructural para prevenir el daño y el colapso. Estos estados varían

según el tipo de solicitación actuante


45

Criterio de diseño LRFD para estados límites últimos:

Resistencia requerida, Ru (demanda)

≤Resistencia de diseño, Rd (suministro)

Qi + Qi ≤ Rn - Rn

Qi: efecto producido por el estado de carga i.

Rn: resistencia nominal para el ELU.

El procedimiento considera las incertidumbres (índices de confiabilidad) en la determinación de las cargas actuantes y de la resistencia de los miembros estructurales:


46

Criterio de diseño LRFD para estados límites últimos:

Σ λi Qi ≤ Rn

El método esta fundamentado en los siguientes aspectos:

1. Modelos probabilísticos de cargas y resistencias.2. Calibración de los criterios LRFD en comparación con el método de las

tensiones admisibles.3. Evaluación mediante el juicio y la experiencia y el estudio comparativo con

proyectos de estructuras representativas.

El criterio de diseño LRFD puede representarse mediante la siguiente expresión:

λi: factores de carga, que depende del estado de carga considerado y sus combinaciones.

: factor de resistencia, que depende del estado límite considerado (0.75 a 0.9).


47

Estados límites últimos (ejemplos)


48

Clasificación de secciones para pandeo local

Miembro

estru

ctura

l

Elemento

rigidizado

Elemento no

rigidizado

t

w

b

t h

Relación ancho-espesor:b/t o h/tw


49

Según el tipo de elemento (rigidizado o no rigidizado), las solicitaciones actuantes y el tipo de sección se selecciona el caso en la tabla B5.1 para obtener los límites p o r.


50

Secciones abiertas conformadas en frio

El reglamento CIRSOC 303 define las relaciones ancho/espesor máximas:


51

Clasificación de secciones para pandeo local

Para el caso de estructuras sismorresistentes, el reglamento INPRES-CIRSOC 103, Parte IV, incluye requerimientos especiales según el tipo de estructura y de miembro que se considera.

Estos requerimientos tienen por objeto controlar el pandeo local y permitir que la estructura desarrolle ductilidad.

La ocurrencia del pandeo local produce una brusca disminución de la capacidad resistente de la sección.


52

Verificación de miembros traccionados

Área bruta, Ag: es la suma de los

productos de los espesores por

los anchos brutos de cada

elemento de la sección.

Área neta, An: Área bruta

menos el área de los

agujeros (considerando el

diámetro de cálculo)

Ag

An

Ag

An


53


Área neta efectiva: considera el

debilitamiento de la sección (observado

experimentalmente) como resultado del

retraso de cortante y concentración de

esfuerzos.

Este fenómeno ocurre en los casos en que la fuerza de tracción se trasmite a través de algunos (pero no todos) los elementos de la sección

ne A UA


54


• Para fluencia en la sección bruta:

• Para rotura en la sección neta:

90.0

A F P gyn

75.0

A F P eun


55

Verificación de miembros comprimidos- Columnas

Columnas simples• Secciones sin elementos esbeltos• Secciones con elementos esbeltos

Columnas armadasGrupos I, II, III, IV, V


56

Verificación de miembros comprimidos- Columnas simples

Ecuación general de verificación:

Pd = Pn = 0.85 Ag Fcr (10-1)


57

Verificación de miembros comprimidos- Tensión crítica, Fcr

0

50

100

150

200

250

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

Esbeltez, c

Fcr

(MP

a)

Q=1

Q=0.85

Q=0.7

1.5

1.6

3

1.7

9

E

F

1

r

Lkλ

y

c


58


1. Pandeo flexional

Cap. E (E.1 y E.2):

2. Pandeo torsional o flexo-torsional

• Secciones T y doble ángulo en contacto continuo: Cap E (E.3)

Fcr= Fcrft (según ecuación E.3-1) Pd

• Método general: Apéndice E (A-E.3) para secciones doblemente

simétricas, secciones de simple simetría y secciones asimétricas:

Fe (según ecuaciones A-E.3-5, A-E.3-6 o A-E.3-7, dependiendo del caso).

3. Pandeo localNo se considera Q=1

Seccio

nes c

om

pacta

s y

no

co

mp

acta

s

dccr

y

c P )λ(F E

F

1

r

Lkλ f

decr

e

y

e P )λ(F F

F λ 1,Q f

Pd = Pn = 0.85 Ag Fcr (10-1)


59


1. Pandeo flexional

Apéndice B (A-B.5.3d):

2. Pandeo torsional o flexo-torsional

• Secciones T y doble ángulo en contacto continuo: Cap E (E.3)

Fcr= Fcrft Pd (Fcrft según ecuación E.3-1, en la cual Fcry se determina

considerando Q<1).

• Método general: Apéndice E (A-E.3) para secciones doblemente

simétricas, secciones de simple simetría y secciones asimétricas:

Fe (según ecuaciones A-E.3-5, A-E.3-6 o A-E.3-7, dependiendo del caso).

Seccio

nes c

on

ele

men

tos e

sb

elt

os

dccr

y

c P ),λ(F E

F

1

r

Lkλ Qf

decr

e

y

e P ),λ(F F

F λ 1,Q Qf

3. Pandeo local

Apéndice B (A-B.5.3): Q= Qa Qs <1

Pd = Pn = 0.85 Ag Fcr (10-1)


60

Verificación de miembros comprimidos- Columnas armadas

Cap. E, Sección E.4.

Ap. E, Sección A-E.4.


61

Verificación de miembros comprimidos- Columnas armadas

Resistencia de diseño a compresión axial. Sección E.4.2Para barras armadas comprimidas de los Grupos I, II, III y IV, se aplicarán los criterios válidos para barras simples, utilizando una esbeltez modificada, (kL/r)m para los modos de pandeo que producen esfuerzos de corte en los medios de unión :

a) Para uniones intermedias ejecutadas con bulones en uniones con ajuste sin juego:

b) Para uniones intermedias soldadas o ejecutadas con bulones en uniones pretensadas o de deslizamiento crítico:

(kL/r)o: esbeltez de la columna armada actuando como una unidad.

a/ri: mayor esbeltez de una barra componente

a/rib: la esbeltez de una barra componente relativa a su eje baricéntrico paralelo al eje

de pandeo.

a: la relación de separación h / 2rib


62

Verificación de miembros flexionados - Vigas


63


La consideración de este ELU se determina a partir de la comparación entre la longitud no arriostrada de la viga, Lb, y dos valores límites Lp y Lr:

Longitud Lb

Mom

ento

Mn

Mp

M r

LpLr

Fy

Cb

Pandeo

inelástico

Pandeo

elástico

Plastificación


64


La consideración de estos ELU se determina a partir de la clasificación de secciones, cuando se tienen elementos no compactos y/o esbeltos:

Esbeltez, b/t o h/tw

Mom

ento

Mn

Mp

M r

λp λr

Fy

Vigas con alma esbelta ver Cap. G

Plastificación

FLB o WLB

FLB

Pandeo

inelástico

Pandeo

elástico

Fy

f < Fy

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