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Criterios de Estructuracin de Edificios
Hctor Soto Rodrguez Centro Regional de Desarrollo en Ingeniera Civil Morelia, Mich. Mxico Febrero de 2006Revisin, elaboracin del guin y locucin a cargo del Dpto. de Ingeniera Civil de la Universidad de Chile con coordinacin del Ing. Ricardo Herrera
Criterios de Estructuracin de Edificios
CONTENIDO
1. 2. 3. 4. 5. 6.
Introduccin Sistemas estructurales Criterios de estructuracin Condiciones de regularidad Problemas de comportamiento Estructuracin de edificios
Criterios de Estructuracin de Edificios
CONTENIDO
7. Diseo con perfiles de acero 8. Estructuracin1. 2. 3. 4. 5. 6. Columnas Vigas o trabes Vigas Secundarias Sistemas de piso Conexiones Detalles estructurales tpicos
Resumen
Establecer recomendaciones generales para lograr una estructuracin eficiente en edificios de acero, especialmente en zonas de alto riesgo ssmico.
1. Introduccin
ESTRUCTURACION
Etapa inicial del diseo estructural, mediante la cual se definen, con base en el proyecto arquitectnico, las dimensiones generales de una estructura, tanto en planta como en elevacin (claros, alturas de entrepiso, etc.), y los tipos de perfiles utilizados en trabes y columnas para formar la estructura bsica de la construccin
1. Introduccin
ESTRUCTURACION
Una edificacin debe cumplir exigencias de: 1. ESTABILIDAD 2. RESISTENCIA 3. RIGIDEZ 4. FUNCIONALIDAD 5. ECONOMA 6. CONSTRUCTABILIDAD 7. FORMA 8. SIMBOLO 9. MEDIO SOCIAL-ORGANIZATIVO
2. Sistemas estructurales Marcos rgidos Marcos con contraventeos concntricos Marcos con contraventeos excntricos Marcos rgidos con muros de cortante, o Combinacin de los sistemas anteriores
TIPOS
2. Sistemas estructurales
MARCO RIGIDO
A-1 Construccin RemachadaEstructuracin simple (Finales del siglo XIX y principios del XX) Acero bsico ASTM A7
A-2 Construccin RemachadaEstructuracin simple o patas de gallo (edificio tpico de la dcada de los cuarenta) Acero bsico ASTM A7
2. Sistemas estructurales
MARCO RIGIDO
A- 3 Construccin SoldadaEstructura a base de marcos rgidos en dos direcciones (edificio tpico de mediados de la dcada de los cincuenta hasta fines de los sesenta) Acero bsico ASTM A36
2. Sistemas estructurales
MARCO RIGIDO
A- 4 Construccin SoldadaEstructura a base de marcos rgidos en dos direcciones (edificio tpico de principios de la dcada de los ochenta hasta principios de los noventa) Acero bsico ASTM A36
2. Sistemas estructurales
MARCO RIGIDO
A- 5 Construccin Soldada o AtornilladaEstructura a base de marcos rgidos en dos direcciones (edificio tpico de la poca actual con o sin diagonales de contraventeo concntricos) Acero bsico ASTM A36
2. Sistemas estructurales
MARCO RIGIDO
A- 6 Construccin CompuestaEstructura a base de marcos rgidos en dos direcciones (edificio tpico de principios de la poca reciente) Acero bsico ASTM A36 y acero de alta resistencia
2. Sistemas estructurales
MARCO MIXTO
A-7 Combinacin de Sistemas Estructurales
2. Sistemas estructurales
MARCO MIXTO
A-8 Combinacin de Sistemas Estructurales
2. Sistemas estructurales
MARCO CONTRAVENTEADO
A- 9 Construccin Hacia el 2000Estructura a base de marcos rgidos en dos direcciones, contraventeos excntricos Acero bsico ASTM A36 y acero de alta resistencia
2. Sistemas estructurales
MARCO CONTRAVENTEADO
A- 10 Construccin Despus del 2000Estructura a base de marcos rgidos en dos direcciones, con aisladores de base o disipadores de energa y aceros de alta resistencia.
2. Sistemas estructuralesBAJA MEDIA ALTA
PREFERENCIA DE MATERIALES
SELECCIN DEL MATERIAL DE ACUERDO CON LA ALTURA DE UNA EDIFICACIN
Acero y mampostera Concreto reforzado Concreto presforzado Concreto prefabricadoNOTAS:
Concreto reforzado Acero Concreto prefabricado Concreto presforzado Mampostera
Acero Concreto de alta resistencia Estructura mixta de acero y concreto Concreto postensado
Altura baja: entre 1 y 5 niveles Altura media: entre 5 y 20 niveles Edificio alto: ms de 20 niveles
3. Criterios de estructuracin
CRITERIOS GENERALES
Estructura debe ser econmica, confiable y responder a las condiciones que sirvieron de base para su anlisis y diseo. Sistema estructural elegido debe ser congruente con el tipo de suelo y zona ssmica.
3. Criterios de estructuracin
CRITERIOS GENERALES
La estructura debe ser capaz de adaptarse a cambios arquitectnicos o funcionales, los que son inevitables durante el desarrollo del proyecto.
3. Criterios de estructuracin Precauciones especiales:
CRITERIOS GENERALES
estructuras ubicadas en zonas de alta sismicidad suelos de baja capacidad de carga zonas de vientos fuertes (costas) zonas propensas a la corrosin sitios donde se tengan incertidumbres con relacin a las acciones.
3. Criterios de estructuracin
CRITERIOS GENERALES
Tomar en cuenta consideraciones de resistencia y de deformacin. Millennium Bridge, Londres
Tacoma Narrows Bridge, Tacoma
4. Condiciones de regularidad
DEFINICION
Las condiciones de regularidad son requisitos geomtricos y estructurales que deben cumplir las edificaciones, independientemente del material con que estn construidas.
4. Condiciones de regularidad
CONSECUENCIAS
Daos se concentran en estructuras irregulares, esbeltas y con cambios bruscos en rigidez y/o resistencia.
4. Condiciones de regularidad
RECOMENDACIONES
Es deseable que la estructura cumpla los requisitos de regularidad estipulados en las normas antissmicas Planta y elevaciones regulares. Evitar: Pisos dbiles Cambios bruscos de rigidez Cambios bruscos de simetra en elementos rgidos tanto en planta y elevacin Grandes entrantes y salientes
5. Problemas de comportamiento
FACTORES
Causas de problemas de comportamiento: Configuracin en planta Asimetra en planta Configuracin en altura Discontinuidad de elementos verticales Concentraciones de masa en pisos Interaccin entre elementos estructurales y no estructurales Inadecuada distancia entre edificaciones adyacentes
5. Problemas de comportamiento CONFIGURACION EN PLANTA
Irregularidad en planta
5. Problemas de comportamiento CONFIGURACION EN PLANTA
Planta irregular
5. Problemas de comportamiento
RECOMENDACIONES
Uso de juntas ssmicas para diseos estructurales con configuracin de planta compleja
5. Problemas de comportamiento
RECOMENDACIONES
El uso adecuado de juntas de dilatacin ssmica, permite concebir edificaciones con configuraciones en planta complejas.Los elementos arquitectnicos deben respetar las juntas ssmicas
Juntas Ssmicas
5. Problemas de comportamiento
ASIMETRIA
Asimetra, debido a disposicin de elementos resistentes
EFECTO DE 5. Problemas de comportamiento EXCENTRICIDAD
Cuando existe excentricidad, los daos se presentan en los elementos de los extremos
5. Problemas de comportamiento IRREGULARIDAD EN ELEVACION
Irregularidad en altura: Cambio abrupto en la geometra
5. Problemas de comportamientoCONCENTRACION DE MASAS
Irregularidad en altura: Cambio abrupto en la masa.
5. Problemas de comportamientoCONCENTRACION DE MASAS
Concentraciones de masa en altura aumentan la vulnerabilidad de las estructuras frente a sismos
5. Problemas de comportamiento
PROBLEMAS DE RIGIDEZ
Irregularidad en altura: Cambio abrupto en la rigidez.
5. Problemas de comportamiento
DISCONTINUIDADES
Discontinuidad en elementos y flujo de fuerzas
5. Problemas de comportamiento
DISCONTINUIDADES
Antes
Despus
La discontinuidad de elementos verticales aumenta la vulnerabilidad de las estructuras frente a sismos
5. Problemas de comportamiento
PISOS DEBILES
Piso dbil
5. Problemas de comportamiento
PISOS DEBILES
Piso dbil producto de la discontinuidad de muros en el primer piso
5. Problemas de comportamiento
DISCONTINUIDADES RECOMENDACIONES
Proyectar, siempre que sea posible, estructuras continuas en altura en dos direcciones ortogonales para otorgar continuidad y redundancia a la estructura.
5. Problemas de comportamiento
INTERACCION
La interaccin entre elementos estructurales y no estructurales, puede causar daos de consideracin
5. Problemas de comportamiento
INTERACCION
Daos producidos por la interaccin de elementos estructurales y no estructurales
5. Problemas de comportamiento
INTERACCION
Interaccin de muros de albailera con marco de concreto generando fallas por columnas corta
5. Problemas de comportamiento Las columnas cortas pueden y deben ser evitadas.
COLUMNA CORTA
5. Problemas de comportamiento
INTERACCION RECOMENDACIONES
Interaccin entre elementos estructurales y no estructurales
5. Problemas de comportamiento
GOLPETEO
El choque entre edificios vecinos compromete su estabilidad
5. Problemas de comportamiento
GOLPETEO RECOMENDACIONES
Refuerzo de pisos crticos
Zona de choque entre edificios y formas de prevenirlo
5. Problemas de comportamiento
GOLPETEO RECOMENDACIONES
Una adecuada separacin entre edificios, evita el choque y el colapso.
6. Estructuracin de edificios
RECOMENDACIONES GENERALES
Poco peso. Sencillez, simetra y regularidad en planta. Plantas poco alargadas. Uniformidad en la distribucin de resistencia, rigidez y ductilidad en elevacin. Hiperestaticidad y lneas escalonadas de defensa estructural.
6. Estructuracin de edificios
RECOMENDACIONES GENERALES
Formacin de articulaciones plsticas en miembros horizontales antes que en los verticales para sismos excepcionales. Propiedades dinmicas de la estructura adecuadas al terreno.
7. Diseo con perfiles de acero
VENTAJAS
1. Acceso a una gran variedad de perfiles laminados o soldados en el medio 2. Alta capacidad de material para soportar cargas 3. Ductilidad intrnseca del acero 4. Rapidez constructiva
7. Diseo con perfiles de acero
VENTAJAS
5. Grandes espacios libres entre columnas 6. Estructuras ms ligeras comparadas con las estructuras de concreto. 7. Facilidad en la remodelacin o ampliacin
7. Diseo con perfiles de acero
RECOMENDACIONES
1. Utilizar distancia entre elementos verticales estndar de acuerdo a la prctica del pas. 2. Aprovechar los espacios arquitectnicos para los sistemas resistentes a fuerzas laterales Muros resistentes a los esfuerzos cortantes. Elementos en X . Prticos rgidos que ofrecen espacios abiertos.
3. Evitar el uso de secciones que no son de fabricacin comn.
7. Diseo con perfiles de acero
RECOMENDACIONES
4. Disear los elementos horizontales para accin compuesta haciendo uso del concreto para soportar las cargas sobrepuestas. 5. Repetir, repetir, repetir haciendo uso de elementos idnticos Beneficios Reduce el costo de fabricacin Reduce el nmero de errores inherentes por mano de obra
7. Diseo con perfiles de acero
RECOMENDACIONES
6. Disminuir la complejidad del control de construccin: Reducir la soldadura en obra Aumentar el uso de conexiones atornilladas. No hay necesidad de andamios ni cimbras
8. Estructuracin
OBJETIVOS
Lograr un nivel de seguridad adecuado contra fallas estructurales causadas por sismos fuertes y Lograr un comportamiento estructural aceptable en condiciones normales de operacin durante su vida til.
8. Estructuracin
RESPONSABILIDAD
Evitar prdidas de vidas humanas y lesiones a seres humanos durante la ocurrencia de un sismo fuerte. Impedir, durante un sismo fuerte, daos severos en la estructura y en los elementos no estructurales (muros divisorios, pretiles, escaleras, plafones, etc.) Lograr que despus de un sismo fuerte, sigan funcionando las edificaciones estratgicas (hospitales, estaciones de bomberos, refugios, albergues, oficinas de gobierno, etc.) para atender el evento.
8.1. Columnas
RECOMENDACIONES
La estructura de acero suele ser competitiva cuando se usa para salvar grandes claros.
8.1. Columnas
RECOMENDACIONES
Usar perfiles laminados tipo W o perfiles soldados preferentemente robustos (similar altura y ancho de ala, espesores de alma y ala comparables). Para elementos principalmente en compresin, evaluar uso de secciones compuestas.
8.2. Vigas o trabes
RECOMENDACIONES
Usar perfiles laminados tipo W o perfiles soldados, con mayor rea en las alas. Evitar siempre que sea posible empalmes entre vigas principales. Usar el mismo tipo de acero que en las columnas. Revisar deflexiones y vibraciones.
8.2. Vigas o trabes
RECOMENDACIONES
Proporcionar menor resistencia que la columna a la que se une (columna fuerteviga dbil).
Mecanismo con dao en vigas (recomendado)
8.2. Vigas o trabes
RECOMENDACIONES
Colocar atiesadores cerca de las uniones o en puntos de aplicacin de cargas concentradas
8.2. Vigas o trabes
RECOMENDACIONES
Colocar atiesadores en ambos lados del alma de la viga
Cortesa: VAMISA
8.3. Vigas secundariasViga secundaria
RECOMENDACIONES
Viga principal
Cortesa: VAMISA
8.3. Vigas secundarias
RECOMENDACIONES
Usar perfiles laminados tipo W o perfiles soldados, secciones armadas en canal, vigas armadas a base de ngulos de lados iguales. Utilizar diseo compuesto. El patn superior siempre est sometido a compresin. Revisar deflexiones y vibraciones. Cuidar los empalmes entre vigas.
8.3. Vigas secundarias
RECOMENDACIONES
Vigas de alma perforada (prefabricadas comercialmente).
8.3. Vigas secundarias
RECOMENDACIONES
Vigas de alma abierta tipo joist (armaduras prefabricadas)
Cortesa: VAMISA
8.3. Vigas secundarias
RECOMENDACIONES
Repetir piezas idnticas para facilitar la fabricacin
8.4. Sistemas de piso
RECOMENDACIONES
Sistema de piso compuesto a base de vigas en flexin
8.5. Conexiones
INTRODUCCION
Uno de los aspectos ms importantes en el diseo de un edificio de acero es el criterio adoptado en la solucin de las uniones entre los diversos miembros estructurales. Tipos: Simple Rgida Semi-rgida
8.5. Conexiones
RECOMENDACIONES
EVITAR LA FALLA DE LA CONEXION. Disear considerando modos de falla y eligiendo cual ser el modo de falla dominante. Usar detalles de conexin sencillos. Evitar soldadura en obra.
8.5. Conexiones
DETALLES TIPICOS
Conexiones tpicas a columna W
8.5. Conexiones
DETALLES TIPICOS
Conexiones continuas viga-columnaAtiesadores externos al tubo
8.5. Conexiones
DETALLES TIPICOS
Conexiones continuas viga-columnaAtiesadores continuos
8.5. Conexiones
DETALLES TIPICOS
Conexiones continuas viga-columnaAtiesadores continuos
8.5. Conexiones
DETALLES TIPICOS
Conexiones continuas viga-columnaAtiesadores continuos, mun acartelado
8.6.Detalles estructurales
RECOMENDACIONES SOLDADURA
Especificar soldaduras de filete en lugar de penetracin completa cuando sea posible.
8.6.Detalles estructuralesSeccin de cuatro placas con soldadura de penetracin.
RECOMENDACIONES SOLDADURA
Seccin de cuatro placas con soldadura de filete.
Alternativa 1 Evitar
Alternativa 2
8.6.Detalles estructurales
RECOMENDACIONES SOLDADURA
Forma eficiente de soldar el atiesador interior en seccin de cuatro placas.
Paso 1: soldar con filete en las primeras tres caras
Paso 2: soldar la cuarta cara con soldadura de tapn o de ranura
8.6.Detalles estructurales
RECOMENDACIONES SOLDADURA
Indicar soldaduras de filete que pueden realizarse en una sola pasada con mquinas de soldadura automtica cuando sea posible. No indicar ms soldadura que la realmente necesaria. As se evita sobrecalentamiento y deformacin de perfiles.
8.6.Detalles estructurales
RECOMENDACIONES SOLDADURA
Seccin constante de tres placas de alma delgada
Soldadura de filete por un solo lado
8.6.Detalles estructurales
RECOMENDACIONES SOLDADURA
Seccin variable de tres placas de alma delgada
Soldadura de filete por un solo lado
8.6.Detalles estructurales
RECOMENDACIONES SOLDADURA
Seccin de tres placas de alma gruesa
Soldadura de filete por los dos lados
8.6.Detalles estructurales
RECOMENDACIONES VIGAS SECUNDARIAS
Seleccionar apropiadamente la orientacin de las vigas secundarias (paralelas al lado largo) Mantener la relacin entre lado corto a y lado largo b, tal que 1.25 < b/a < 1.50. Utilizar conexiones atornilladas para la unin de vigas secundarias a la viga principal.
8.6.Detalles estructurales
RECOMENDACIONES VIGAS SECUNDARIAS
Alternativa 1: tornillos a doble cortante
8.6.Detalles estructurales
RECOMENDACIONES VIGAS SECUNDARIAS
Alternativa 2: tornillos a cortante simple
8.6.Detalles estructurales
RECOMENDACIONES VIGAS SECUNDARIAS
Conexin sesgada a cortante
8.6.Detalles estructurales
RECOMENDACIONES CONEXIN MOMENTO
Conexin a momento tipo end-plate
Placas de mun soldadas a columna con soldadura de filete
8.6.Detalles estructurales
RECOMENDACIONES
Unin de patines del perfil al end-plate
Con soldadura de filete para patines de poco espesor
Con soldadura de penetracin para patines de gran espesor
8.6.Detalles estructurales
RECOMENDACIONES MIEMBROS
Buscar el menor nmero de empalmes de columnas posible. Considerar la posibilidad de utilizar una seccin ms rgida para evitar la colocacin de atiesadores Especificar refuerzo en almas de vigas en zona de huecos para instalaciones slo donde realmente se requiera. Tratar de utilizar perfiles HSS para contraventeo de marcos.
8.6.Detalles estructurales
RECOMENDACIONES
Detalle de conexin de contraventeo con perfil HSS
Conexin con placa (tipo peine)
Conexin en zona de nudo viga-columna
8.6.Detalles estructurales
RECOMENDACIONES
Detalle de conexin de contraventeo con perfil HSS
Conexin con trabe al centro del claro