Diseño Sísmico Estructural con Columna Hueca de Sección Estructural

de Tamaño Jumbo Formadas al Frio

Julio del 2013

0

El terremoto de 2011, frente a la costa del Pacífico de Tohoku

× epicentro

Isla Bonin

2

○ 2:46PM

○ Magnitud： 9.0

○ Intensidad Max.: 7 (Miyagi Prefecture)

○ El epicentro del Terremoto：

lat. 38°19′N, Long. 21°18′E

○ Muertes y Perdidos: aprox 20,000

11 de marzo de 2011 2

3

① M9.4 Chile 1960

② M9.2 Alaska 1964

③ M9.1 Indonesia 2004

④ M9.0 Japón 2011

El 4to Terremoto mas Grande desde el 1900 3

14：46 Terremoto

15：25 Llegada del Tsunami

4

Tsunami 4

5

Tsunami 5

6

Daño Sismico – Sub Estructura de Acero 6

7

Daños debidos al Tsunami Estructura RC 7

8

Daños debidos al Tsunami Estructura RC 8

9

A=7.6m

Residencia Estilo “Piloti” con un Marco de Acero 9

10

A=7.6m

Dañado por el Tsunami pero la Estructura de Acero esta Intacta

10

11 Sin Daños a la Columna Caja con Conexión Rígida a los Vigas del Marco

11

12 Sin Daños a la Columna Caja con Conexión Rígida a los Vigas del Marco

12

13 Reconstrucción rápida utilizando la estructura existente

13

14 Reconstrucción rápida utilizando la estructura existente

14

15 Reconstrucción rápida utilizando la estructura existente

15

16

A=5.6m

Fabrica NSMP Sendai 16

17

Torre de Protección 17

18

A=5.6m

SGT en Fabrica NSMP Sendai 18

19

SGT en JAPÓN 19

Sitio：Osaka

Altura ：10.5 m

Capacidad ：150 personas

Sitio： Shizuoka

Altura ：9.8 m

Capacidad ：200 personas

20 Cinturón de Fuego= Zona de Terremotos en las Costas del Pacifico

20

21

6h

18h

12h

21h

★

TSUNAMI Wave Heights & Speed （by NOAA） 21

Estructura de Edificios Comerciales en Japón

23

Estructuras Principales de Edificios en Japón

Estructura Columna Viga Arriostra

(Pared)

Uso Típico (ejemplo)

En Japón

Acero

Marco

Rígido HSS Forma de H －

Oficina

Centro Comercial

Estacionamiento

Centro de Distribución

Marco

Riostra Forma de H Forma de H

Barra en Angulo

Fabrica

Almacén

RC

Marco

Caja RC RC RC

Residencias

Escuelas

Hospitales Marco

Rígido RC RC －

※RC：Reinforced Concrete

24

Edificio de Oficinas

25

Centro Comercial

26

Estacionamiento

Comportamiento Sísmico

28

A través de la placa del diafragma

Viga-H

HSS

Soldadura

Conexión de Marco Rígido para Columnas a Vigas

Soportes

Fuerza Sísmica Horizontal

29

Diseño Estructural Sísmico en Japón (Concepto)

Si △ＯＡＢ = □ＯＣＤＥ ⇒ Mismo comportamiento sísmico

¿Cual es la mejor combinación de ambos conceptos?

Ｂ

Ａ

Ｏ

Ｏ

Ｃ Ｄ

Ｅ

Fuerza

Ｏ

Ｃ

Ｂ

Ａ

Ｄ

Ｅ Deformación

Concepto de Diseño Elástico

Concepto de Diseño Plástico

Mas Fuerza = Estructura mas grande, = Espacio mas pequeño, = Carga mas pesada, = Costo mas alto

Área △ＯＡＢ, □ＯＣＤＥ = capacidad de absorber energía sísmica

30

Diseño Estructural Sísmico en Japón (Código)

Diseño Principal Diseño Secundario

Intensidad asumido (Aceleración asumidos)

Aprox. ５

（80～100gal）

Aprox. 6

（300～400gal）

Angulo de deflexión entre los pisos (θ por debajo)

1/200 y menos 1/150～1/100

Situación de Miembro Estructural

No hubo deformación plástica

Energía sísmica será absorbida por la

Deformación plástica. (Sin colapso)

La clave es

La capacidad de deformación plástica del

Miembro Estructural y la

Conexión de Columna a Viga

θ A

31

Prueba de Deformación Plástica (1)

Columna □300×300×19 （BCR295）

-1,000

-500

0

500

1,000

-0.20 -0.10 0.00 0.10 0.20

回転角θ (rad)

曲げ

モー

メン

トM

　(k

Nm

)32

Prueba de Deformación Plástica (2)

(Rad)

Mom

ento

(k

Nm

)

Pandeo Local

3,500mm

33 Prueba de Deformación para la Conexión de Columnas a Vigas (1)

Diafragma T=16（SN490B）

Columna □300×300×19 （BCR295）

Viga 400×200×8×13 （SN400B）

-1,500

-1,000

-500

0

500

1,000

1,500

-0.06 -0.04 -0.02 0.00 0.02 0.04 0.06

層間変形角R(rad)

節点

モー

メン

トM

(kN

m)

34 Prueba de Deformación para la Conexión de Columnas a Vigas (2)

(Rad)

Mom

ento

(k

Nm

)

Pandeo Local con la Brida de la Viga

4,500mm

3,0

00

mm

Historia (Construcción Comercial)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0

50,000

100,000

150,000

200,000

250,000

300,000

1956 1960 1964 1968 1972 1976 1980 1984 1988 1992

Estructura (%)Area de Construccion (1,000㎡)

Area de Const. (1,000㎡)Estr. de Acero (%)

Estructura RC (%)

36

1956 ⇒ 1992

Edificio(1,000m2) ： 40,866(100%) ⇒ 246,601(603%)

RC (%) ： 15.9(100%) ⇒ 17.8(112%)

Acero(%) ： 5.4(100%) ⇒ 39.4(723%)

Historia de Construcción: El Inicio y Difusión de las Estructuras de Acero en Japón

1964:Olympic(Tokyo)

1961:Ventas (Forma-H)

1970:Expo.(Osaka)

HA ⇒ Acero （Forma-H) ⇒ Sección en Caja Soldada ⇒ HSS Prensado o Laminado

37

0

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

12,000

1972

1974

1976

19

78

1980

1982

1984

1986

1988

1990

1992

1994

1996

1998

2000

2002

2004

2006

Year

Áre

a d

e E

str. d

e A

cero（

10,0

00㎡）

0

200

400

600

800

1,000

1,200

Área de Estr. de Acero

Sección Estr. Hueca

HSS（

1,0

00to

ns）

NSMP inicio Producción

de HSS Tamaño Jumbo

Volumen de Producción de HSS en Japón

Nuevo código de construcción

sísmica

19

81

Terremoto

Miyagi

Sección en Caja Soldada ⇒ HSS formada por prensa

38 Historia de Materiales Estructurales para Columnas en Japón (Edificio Comercial)

1960s～ 1980s～

Debido a….

Valor Comercial & Comportamiento Sísmico

39

¿Porque el cambio de RC→ ACERO en los 1960s ?

RC ACERO 1．Estructura de peso ligero

⇒Constr. de bajo coste

incl. trab. de cementación

2． Producción de fabrica

⇒ Construcción rápida

& de calidad estable

3．Estructura de tamaño pequeño

⇒ Mas espacio efectivo

⇒ Mas ventas

⇒ Mejor ROI (Retorno de la

Inversión)

4．Sitio de Construcción Limpio

40 ¿ Porque el cambio de la columna en H→ Caja Soldada en los 1970s?

Columna de Acero

Forma-H Caja soldada

1. Rendimiento sísmico alto

2. Menos peso

①Dimension exterior menor

②Grosor de pared mas delgado

41

Sin eje débil ⇒ Sin estructura de arriostra

(en el caso de conexiones a un Marco Rígido)

Ventajas de las Secciones en Caja vs La forma en H

Sección en Caja

(Sin eje débil) Forma H

(Con eje débil)

Forma H HSS

Diseño flexible

42

¿Porque Caja Soldada → HSS en los 1980s～?

Sección en Caja

Caja Soldada HSS 1. Calidad Estable

①Soldadura

②Dimensión = Tolerancia

2. Menos tiempo de fabricación

3. Costo mas bajo de fabricación

43

Modelo de Constr. Uso: oficina

Numero de pisos：3

Superficie total：2,304m2

8,000 8,000 8,000 24,000

8,000 8,000 8,000 8,000

8,0

00

8

,00

0 8

,00

0

32,000

24

,00

0

8,000 8,000 8,000 8,000 32,000

4,0

00

▽

▽

▽

▽

Ventaja de Estructuras de Acero vs RC (Estudio de Caso sobre Estructuras Ligeras)

44

Acero RC

Tam. de Col. Tam. Viga Tam. de Col. Tam. Viga

3F □-350x12 H-446x199 □-600x600 □-700x400

2F □-350x12 H-500x200 □-600x600 □-700x400

1F □-350x16 H-600x200 □-600x600 □-700x400

Peso Total

75% 100%

Term. de Obra

70% 100%

Espacio Efectivo 107% 100%

Costo (Japón)

90% 100%

Como Carga Muerta: 270kg/m2 , Carga Viva : 500 kgf/m2(2,3F) , 200kgf/m2(RF)

Ventaja de Estructuras de Acero vs HA (Ejemplo en Japón)

500mm

19mm 19mm

【HSS】 【Caja Soldada】

The cost comparison between HSS

and Welded Box Sections in Japan La comparación de costos entre el HSS, Secciones de Caja Soldada y las Vigas en Forma de H en México

45

500mm

550mm

19mm

28mm

【Forma-H】

Placa interior del diafragma ×6

【HSS & Caja Soldada】 【Forma-H】

46

Soporte y Refuerzo×6

10.5m

3 Pisos

La comparación de costos entre el HSS, Secciones de Caja Soldada y las Vigas en Forma de H en México

La comparación de costos entre el HSS, Secciones de Caja Soldada y las Vigas en Forma de H (eje. en México)

47

＊ Los Costos de Materiales incluyen los costos de corte.

HSS

0 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000

Caja Soldada

HSS

Forma-H

USD

Material Procesamiento y Soldadura Pruebas Ultrasónicas Trabajo

Proceso de Fabricación de HSS

49

Formación por Rollo（1 Juntura）

①Formando

②Soldador de Alta

Frecuencia

③Eliminación de excesos

④Conformando ⑤Corte

⑧Juntando

⑥Revestimiento

⑦Aceitando

50

Formación por Prensa（２ costuras）

①Cortando ②Biselado ③Prensado

④Soldando

51

Rango de Tamaño

150 175 200 250 300 350 400 450 500 550 600 700 800 900 1000

6

9

12

16

19

22 NSMP Range

25

28

32

36 NSMP sister company Range

40 (Nippon Steel & Sumikin Column Co.,LTD)

：Roll Forming

：Roll Forming and Press Forming

：Press Forming

Outside dimension (mm)

Wal

l thi

ckne

ss (

mm

)

Conexión de Columnas y Vigas HSS

53

A través de la placa del diafragma

Viga-H

HSS

Soldadura

Conexión de Marco Rígido para Columnas a Vigas

Soportes

Fuerza Sísmica Horizontal

54

Línea roja：soldadura

A través del Diafragma

① Vista del Diafragma

55

① Through Diaphragm

56

Interior del Diafragma

Línea roja: soldadura

② Interior del Diafragma

57

Línea roja: soldadura

Exterior del Diafragma

③ Exterior del Diafragma

58

Red lines：welding

Outer Diaphragm

④ Outer Diaphragm-B

59

⑤ Non-Diaphragm Connection

Non D iaphragm

Beam

C olum n

C olum n

60

⑥ Bolted Joint (Hyper Frame TM)

Bolt Cut-T

Bolt

61

①Sprit T Type ②End Plate Type

Semi-Rigid Frame Connection

62

Sprit T Type End Plate Type

Simple (Shear) Connection

63

CFT （Concrete Filled Steel Tube）

Concrete

Concrete

Aplicaciones de HSS en el Mundo

64

65

Almacén

66

Estructura de Bragueros

67

Arriosta

68

Pasaje Elevado Peatonal

69

Puente de Vigas Tubulares

70

Almacén Automatizado

71

Estantería de Tubos

72

Partes de Maquinas

Para terminar…

73

74

Enero 1995

Kobe, Japón

M7.3

Marzo 2011

Noreste, Japón

M9.0

Nunca se debe olvidar para las futuras generaciones

High anti-seismic performance (Comportamiento Anti-Sísmica Alto)

Smart design (Diseño inteligente)

Superior cost performance (Excelente economía de costes)

Gracias por su Atención

Nippon Steel & Sumikin Metal Products Co., Ltd.

http://www.ns-kenzai.co.jp/english/