INPRES – CIRSOC 103 Parte IV - frm.utn.edu.ar C 301_2008/Teoria/Curso_Cirsoc... · UTN – FRM- 2008 * APLICACIÓN CIRSOC 301-EL * 14_IC103_pIV_1 3 INPRES – CIRSOC 103 Parte IV

* APLICACIÓN CIRSOC 301-EL * 114_IC103_pIV_1 UTN – FRM- 2008

INPRES – CIRSOC 103 Parte IV



***



Contexto INPRES-CIRSOC 103 – Parte IV

Criterios de proyecto y reglamentos de aplicación

Tipos estructurales sismorresistentes

Comportamiento de los elementos de acero

Otros tópicos



La capacidad resistente de una estructura NO TIENE RELACION DIRECTA CON LA CAPACIDAD DEL MATERIAL....

La deformabilidad o rigidez de una estructura NO DEPENDE EXCLUSIVAMENTE DEL MATERIAL ...

El comportamiento frágil o dúctil de una estructura NO ES UNA CUALIDAD DEL MATERIAL....

Las estructuras se deben proyectar y diseñar de modo que

una adecuada RELACIÓN MATERIA-FORMA provea

suficiente grado de RESISTENCIA, RIGIDEZ Y DUCTILIDAD.



de Comentarios INPRES-CIRSOC 103 – Parte IV



Proyecto por ESTADOS LÍMITES:factores de carga y resistencia

La Parte IV se aplica exclusivamente a los estados de cargas que incluyan la acción sísmica (1.1)

Se aplica sobre la base de:

INPRES-CIRSOC 103 – Parte I

CIRSOC 301-EL

La Especificación base:

Seismic Provisions for Structural Steel Buildings (AISC)

Criterios de proyecto y reglamentos de aplicación


Calidad de los materiales (3.1):

Para edificios con altura superior a 1 piso el acero utilizado deberá cumplir con las siguientes características:

1) La relación entre la tensión de fluencia y la tensión máxima a tracción no debe ser mayor que 0,85.

2) Tener una curva tensión-deformación con un pronunciado plateau (deformación en) de fluencia

3) Tener, al menos, una deformación del 20% en una longitud de 5 cm.

4) Buena soldabilidad.

Requerimientos generales


Tensión de fluencia esperada (3.2):

Cuando corresponda, se adoptará:

Fye = Ry Fy

Ry = 1,5 para perfiles y barras laminadas

Ry = 1,1 para platinas.



Resistencia a flexión por impacto Charpy (3.3)

Los perfiles y chapas con espesores iguales o mayores que 40 mm tendrán una resistencia a impacto por flexión de 30 Nm a 20ºC


* APLICACIÓN CIRSOC 301-EL * 10

Los tipos estructurales sismorresistentes se clasifican por:

La forma de soportar la acción sísmica:

Pórticos sismorresistentes No Arriostrados

Pórticos sismorresistentes Arriostrados

Sistemas duales

La forma de disipación de la energía o capacidad de rotación inelástica:

Especiales

Intermedios

Convencionales

Arriostrados concéntricos

Arriostrados excéntricos

14_IC103_pIV_1UTN - FRM

Tipos estructurales


PORTICOS ARRIOSTRADOS CONCÉNTRICOS

SISTEMAS DUALES

Tipos estructurales

PORTICOS ARRIOSTRADOS EXCÉNTRICOS

PORTICOS NO ARRIOSTRADOS


Tipos estructuralesPÓRTICOS SISMORRESISTENTES NO ARRIOSTRADOS

Especiales

Intermedios

Convencionales

p0,03rad

i=ihi

=0,04 rad

p0,02 rad

i=ihi

=0,03 rad

p0,01rad

i=ihi

=0,02 rad



Las rotaciones plásticas se producen en vigas y columnas;

La deformación inelástica total es una combinación de deformaciones de flexión en rótulas y distorsiones en el panel nodal

Los elementos estructurales que disipan energía serán detallados

Las uniones serán ensayadas, salvo que se especifiquen modelos que han demostrado comportamiento adecuado.



Con vigas reticuladas

se limitan las deformaciones inelásticas a un tramo del reticulado, el resto permanece en rango elástico.

p0,02 rad

i=ihi

=0,03 rad


Tipos estructuralesPÓRTICOS SISMORRESISTENTES ARRIOSTRADOS

ConcéntricamenteDisipan energía en las riostras.

Convencionales

Especiales* Limitación del ancho/espesor para minimizar el pandeo local* Diseño y detallado especial de las uniones extremas* Detalles apropiados de las riostras* Menor distancia de los elementos de unión de secciones armadas.


Tipos estructuralesPÓRTICOS SISMORRESISTENTES ARRIOSTRADOS

Excéntricamente

Las riostras están conectadas a vigas a una corta distancia de la unión viga-columna o viga-riostra, esa zona o “enlace” es la principal fuente de disipación de energía.


Tipos estructuralesSISTEMAS DUALES

Sistemas que combinan la acción de pórticos arriostrados y no arriostrados


ACCIONES SÍSMICAS DE DISEÑO (4 y 5)

Acción sísmica horizontal

Acción sísmica vertical

E H=V 0=d⋅Sa

R⋅W

R=R

EV=0,2⋅d⋅b⋅W D

00,

20,

40,

60,

8 11,

21,

41,

61,

8 22,

22,

42,

62,

8 3

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

Espectro Elástico Seudoaceleraciones Zona Sísmica 4

Suelo 1Suelo 2Suelo 3

Período

Sa


ACCIONES SÍSMICAS DE DISEÑO (4 y 5)

Combinaciones de cargas

Las especificadas en C 301 (A.4.5 y A.4.6)

Simultaneidad de acciones sísmicas C103 – Parte I - 11.4

Combinaciones especialesEn consideración a la sobrerresistencia inherente a los tipos estructurales y sólo para los elementos así definidos.

[5.4 (a)]

[5.4 (b)]

1,2 D0,5 L0,2 S0 E H

0,9 D0 E H


DEFORMACIONES (6)

CIRSOC 103 – parte I – Cap. 13

Control de la distorsión horizontal de piso

Efecto P-D

Efecto de martilleo, separaciones


UNIONES, JUNTAS Y MEDIOS DE UNIÓN (7)

CIRSOC 301 – Capítulo J - con los siguientes límites:

Uniones Atornilladas (7.2):

Todos los tornillos de alta resistencia, traccionados y superficies preparadas (µ=0,33). Proyecto de juntas por aplastamiento

No se permite colaboración de tornillos y soldaduras

Agujeros normales u ovalados con eje mayor normal a la línea de fuerza

La resistencia a aplastamiento de los agujeros será:

Las juntas atornilladas en elementos sismorresistentes se configurarán de modo que la falla sea dúctil.

Rn≤2,4⋅d⋅t⋅Fu


UNIONES, JUNTAS Y MEDIOS DE UNIÓN (7)

CIRSOC 301 – Capítulo J - con los siguientes límites:

Uniones Soldadas (7.3):

Ejecución de acuerdo con IRAM-IAS U500-164. Serán inspeccionadas y aprobadas por Autoridad Competente

Soldaduras a tope con penetración completa, se usará material de aporte con resistencia a flexión por impacto Charpy de 30 Nm a -30ºC

En elementos y uniones que son parte de la estructura sismorresistente las discontinuidades y defectos deben ser reparados (puntos de soldadura, ayudas de montaje, corte con soplete ...)


COLUMNAS (8)

Las columnas de sistemas sismorresistentes deben cumplir CIRSOC 301 y este Capítulo 8

Resistencia: si Pu / φ Pn > 0,40

El esfuerzo requerido a compresión se determinará con,

no se verificará flexocompresión para este caso.

El esfuerzo requerido a tracción se determinará con,

no se verificará flexotracción para este caso.

PuE=1,2 P D0,5 P L0,2 P S0 P EH≤1,1⋅R y⋅ ∑j=V y R

V nj

PuE=0,9 P D−0 P EH≤RF levantamiento


COLUMNAS (8)

Las columnas de sistemas sismorresistentes deben cumplir CIRSOC 301 y este Capítulo 8

Empalmes:

Los empalmes hechos con filete o a tope de penetración parcial TPP)se ubicarán en hL/2 o a 1200mm del nudo viga-columna.

La resistencia de diseño de de una junta TPP será el doble de la requerida

La resistencia mínima requerida para cada ala será:

Cuando se empalma secciones con diferentes espesores y anchos de alas o almas, no se requerirán transiciones donde se permitan juntas TPP.

Rwf=0,5 R y⋅F y⋅A f

RdPuE

RwTPP=2,0 PuE


Comportamiento de las estructuras y elementos de acero

Ductilidad flexional de elementos o piezas de acero

Concepto de ductilidad

Limitaciones prácticas

Pandeo Lateral torsional: arriostramiento apropiadoPandeo local de ala o alma: límites a la relación de esbeltez de elementos comprimidosFracturas en las conexiones: evitables con detalle apropiados


Comportamiento de las estructuras y elementos de aceroDUCTILIDAD FLEXIONAL

Diagrama tensión deformación del acero con carga monotónica.



Comportamiento flexional de vigas



Formación de la rótula plástica



Relación Momento/Curvatura



Relación Momento/Curvatura: resultado de ensayo, viga arriostrada



Relación Momento/Curvatura: Modos de falla de una viga


Comportamiento de las estructuras y elementos de aceroLIMITACIONES PRÁCTICAS

Pandeo local de elementos y Pandeo Lateral Torsional de la viga



Pandeo Lateral Torsional de la viga



COMPORTAMIENTO DE UNA PLACA COMPRIMIDA APOYADA POR SUS BORDES

06A. Placas Comprimidas UTN - FRM

Hipótesis:El material es ISÓTROPO, HOMOGÉNEO, ELÁSTICO hasta la falla o pandeoLa placa es perfectamente plana, sin imperfeccionesLas tensiones son sólo producto de los esfuerzos externos (no hay tensiones residuales)

a ≈ b

( ) 22

22

22

2

)1(12)1( atEk

btaIEkfki ⋅−

⋅=⋅⋅⋅−

⋅=µ

πµ

π

( )22

2

22

22

)1(t

bEk

btEk

tbtEkf cck =⋅=

⋅⋅−⋅=

µπ



APROVECHAMIENTO DE LA PLACA COMPRIMIDA


Evidentemente, el máximo aprovechamiento de la resistencia de la placa se tiene para:

Fcr = Fy

( ) ( )

( )

lim

limlim

2

2

7,0 λλ

λ

⋅≅

===

=⇒==

r

Fk

FEkt

b

FEkt

b

tbEkFF

y

ci

yc

yccycr

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

105

110

115

120

125

130

0

50

100

150

200

250

300

350

400

Pandeo de placas

kc llim lr0,43 18,0 12,60,70 23,1 16,11,28 31,2 21,84,41 57,9 40,55,00 61,6 43,1F24

Esbeltez b/t

Fcr



Relaciones de esbeltez de placas comprimidas - CIRSOC 301-EL – Capítulo B



Comportamiento de las estructuras y elementos de aceroLIMITACIONES PRÁCTICASFracturas en las conexiones

Conexión soldada viga-columna – Ensayos en los '60 -



Conexión atornillada viga-columna – Ensayos en los '60 -



Especificaciones de junta, sobre la base de ensayos de los '60


Comportamiento de las estructuras y elementos de aceroLIMITACIONES PRÁCTICAS - Fracturas en las conexiones

Terremotos de Nortridge (1994) y Kobe (1996)

Se identifican numerosas fallas en conexiones viga-columna

Se concluye que hay que repensar el proyecto de las conexiones de

acero resistentes a momento

Falla en la soldadura del ala superior de una viga



Fractura en la soldadura del ala inferior de la viga, propagada en ala y alma de la columna



“Buzamiento” del ala de la columna, en su conexión al ala inferior de la viga

Alma de la viga

Ala de la viga

Agujero de acceso



Fractura a través de la soldadura

Placa de respaldo

Placa auxiliar de arrime



Fractura a través de la soldadura – Sección mecanizada de una junta fallada

Falta de penetración



Fallas típicas en juntas soldadas – Northridge 1994 -

En el cordón Falta de fusión “Buzamiento” en columna

Ala de la columna Zona afectada por calor (ZAC) Desgarro laminar



Comportamiento flexional en la zona de conexión

Las soldaduras de juntas deben ser muy fuertes para permitir desarrollar fluencia en la viga lejos de la cara de la columna, para disipar energía.

Z1 es bajo y el DM se desplaza al ala de la columna....

Otro factor es la diferencia de la resistencia del acero entre el ensayo y la realidad (A36 vs A50)



PORTICOS DE ACERO SISMORRESISTENTES

Northridge mostró serios defectos. Problemas vinculados con:

Material de la soldadura, fundamentos o concepto de los detalles y tecnología (mano de obra)

Esfuerzos de fluencia en vigas y su tamaño

Fluencia en la zona de panel nodal

Reparaciones y nuevos proyectos

Desplazamiento de la fluencia lejos de la cara de la columna (placas de recubrimiento, talones de conexión, reducción de alas de vigas (“hueso de perro”)

Verificación continua por medio de ensayos

Proyecto SAC: Publicaciones FEMA 350 a 354


Comportamiento de las estructuras y elementos de aceroPORTICOS DE ACERO

Viga de Sección Reducida (VSR)

Espécimen de ensayo – Proyecto conjunto SAC



Viga conectada con talones T - atornillados




Viga conectada con talones T – atornilladosEspécimen de ensayo – Proyecto conjunto SAC

FORMACIÓN DE LA RÓTULA PLÁSTICA

Fractura en la sección neta de la espiga del talón T

Formación de la rótula plástica – pandeo local en ala y alma



Viga conectada con talones T – atornillados



Conexión viga-columna

Conexión con placa extrema extendida




Conexión con placa extrema extendida

Resultados de los ensayos


Comportamiento de las estructuras y elementos de aceroDUCTILIDAD DE LAS CONEXIONES DE PORTICOS DE ACERO

LÍMITES – CONDICIONES DE PROYECTO

Conexiones soldadas

Fractura frágil de la soldadura

Desgarro laminar en el material base

Proyecto y detalle de la unión, ensayos e inspección

Conexiones atornilladas

Fractura en la sección neta

Excesivo deslizamiento entre las partes

Conexión muy débiles entre los miembros

Cortante en el panel de unión



Pórtico de varios pisos




Ductilidad Flexional – Influencia de la carga axial




Puntal o codal en carga axial




Pórtico arriostrado en Cruz de San AndrésDiagonales sólo en tracción axil




Pórtico arriostrado en Cruz de San AndrésDiagonales sólo en tracción axil

Explicación conceptual del funcionamiento

“De sopetón” - de golpe


Comportamiento de las estructuras y elementos de aceroPORTICOS DE ACERO ARRIOSTRADOS EXCÉNTRICOS


Comportamiento de las estructuras y elementos de aceroPORTICOS DE ACERO ARRIOSTRADOS EXCÉNTRICOS

Ensayo del “enlace” en laboratorio



En resumen:

COMPORTAMIENTO DEL ACERO

Ductilidad:Material inherentemente dúctil

Ductilidad de la estructura < ductilidad del material

Amortiguamiento:Las estructuras soldadas tienen bajo amortiguamiento

El mayor amortiguamiento de las estructuras atornilladas depende del deslizamiento de las uniones.

La energía absorbida principalmente se debe a la fluencia de los miembros.



En resumen: ....

Pandeo y abollamiento:Es la falla más común de piezas de acero bajo acciones sísmicas

Usualmente es frágil

Pandeo local en una porción del miembro

Pandeo global del miembro o barra

Pandeo o inestabilidad global de la estructura

Fractura, fallo o colapso:Bajo acciones sísmicas es una falla frágil

Las más susceptibles son las conexiones soldadas de elementos gruesos.



Por todo ello, es necesario aplicar:


PÓRTICOS SISMORRESISTENTES

NO ARRIOSTRADOS ESPECIALES

- PS nAE – (Capítulo 9)


PÓRTICOS SISMORRESISTENTES NO ARRIOSTRADOS ESPECIALES - PS nAE - (9)

Se espera que los PS nAE desarrollen importantes deformaciones inelásticas al momento del terremoto de diseño. Se especifican condiciones para:

9.2 - NUDOS VIGA-COLUMNA y UNIONES

9.3 – PANEL NODAL

9.4 – LIMITACIONES DIMENSIONALES DE VIGAS Y COLUMNAS

9.5 – RELACIÓN ENTRE LAS RESISTENCIAS A FLEXIÓN DE VIGAS Y COLUMNAS

9.6 – RESTRICCIÓN LATERAL DE NUDOS VIGA-COLUMNA

9.7 – APOYO LATRAL DE VIGAS



...

NUDOS VIGA-COLUMNA y UNIONES [9.2]

b) Resistencia a flexión en la cara de la columna

excepto si:

1) La resistencia a flexión está controlada por el pandeo local de la viga

2) Se proyectan uniones que puedan desarrollar las rotaciones requeridas en los elementos de unión y la resistencia de diseño (uniones PR)

M 0,03M p=F y⋅Z viga

M 0,030,8⋅M p



...

NUDOS VIGA-COLUMNA y UNIONES [9.2]

c) Resistencia a corte en la junta viga-columna

V u=1,2 V D0,5 V L0,2V S[2 1,1 R y F y Z vigaLviga ]

V u≤1,2 V D0,5 V L0,2V S0⋅V E


PÓRTICOS SISMORRESISTENTES NO ARRIOSTRADOS ESPECIALES - PS nAE - (9)...

PANEL NODAL [9.3]Es la zona de intersección entre viga y columna, limitada por las alas de la columna y las placas de continuidad de la viga.



...

PANEL NODAL [9.3]

Cortante – esfuerzo de corte requerido y condición de proyecto:

V u=1,2 V D0,5 V L0,2V S0⋅V E

V u≤0,9 V D−0⋅V E

V u≤0,80 ∑Vigas

R y⋅M p

V d=v⋅Rv conv=0,75



...

PANEL NODAL [9.3] - Resistencia al corte:

Si

Si

Pu≤0,75 P y

Rv=0,6 F y d c t p[1 3 bcf tcf2

d b d c t p ]Pu0,75 P y



...

PANEL NODAL [9.3] - Espesor del panel nodal:

El espesor individual de la placa de panel y de las placas de refuerzo, o el total si están unidas por soldaduras de tapón

t id zwz/90



...

PANEL NODAL – Placas nodales de refuerzo

PANEL NODAL – Placas de continuidad



...

LIMITACIONES DIMENSIONALES DE VIGAS Y COLUMNAS [9.4]

Se establecen límites para alcanzar ductilidad del orden de 5



...

RELACIÓN ENTRE LAS RESISTENCIAS A FLEXIÓN DE VIGAS Y COLUMNAS [9.5] - Aseguramiento del concepto “columna fuerte–viga débil”

RESTRICCIÓN LATERAL DE NUDOS VIGA-COLUMNA

Nodos restringidos

Nodos no restringidos

APOYO LATERAL DE VIGAS – se limita la longitud no arriostrada a:

L p≤17500 r y

F y


PÓRTICOS SISMORRESISTENTESNO ARRIOSTRADOS INTERMEDIOS – (Capítulo 10)

PÓRTICOS SISMORRESISTENTESNO ARRIOSTRADOS CONVENCIONALES

– (Capítulo 11)

PÓRTICOS SISMORRESISTENTESNO ARRIOSTRADOS CON VIGAS RETICULADAS

– (Capítulo 12)


PÓRTICOS SISMORRESISTENTESARRIOSTRADOS CONCÉNTRICOS ESPECIALES

– (Capítulo 13)

PÓRTICOS SISMORRESISTENTESARRIOSTRADOS CONCÉNTRICOS

CONVENCIONALES – (Capítulo 14)

PÓRTICOS SISMORRESISTENTESARRIOSTRADOS EXCÉNTRICOS – (Capítulo 15)


ASEGURAMIENTO DE LA CALIDAD – (Capítulo 16)

Apéndice: REQUISITOS PARA ENSAYOS CÍCLICOS DE UNIONES VIGA-COLUMNA Y ENLACE-COLUMNA


Un profundo agradecimiento a: La Vida, que nos ha permitido reunirnos y estudiar y descubrir sus leyes y misterios

A los colegas docentes que se han esforzado para proponernos ejemplos y aplicaciones y han criticado con generosidad

A nuestras familias que nos han acompañado en esta empresa

A todas las personas e instituciones que hacen esfuerzos para que nuestra profesión resulte más útil a nuestros hermanos

A todos Uds. que han incentivado nuestro esfuerzo con vuestra atención, participación y “ganas” de conocer y mejorar....

Mendoza, Diciembre de 2008 Daniel García Gei 14_IC103_pIV_1UTN - FRM

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