Edificios Concreto Armado. Por:

Transcripción

1 Diseño Sismo-Resistente de Edificios Concreto Armado Por: Ing. Luis B. Fargier-Gabaldón, MSc, PhD

2 Contenido Introducción Naturaleza de los Terremotos Parámetros Importantes t en el Diseño Sismo-Resistente i t Principios Fundamentales en el Diseño Sismo-Resistente Diseño Basado en Desempeño Diseño Sismo-Resistente de Elementos Estructurales

4 Introducción El diseño Sismo-Resistente ARTE o CIENCIA? Diseño sismoresistente de edificios de concreto armado? Vb = n i = 1 ( y/ z) e x XY+ EI a a a det a a a a a a i i x y z π x d d d

5 Introducción Turquía

7 Naturaleza de los Terremotos Housner (1982)

9 Parámetros Importantes en el Diseño Sismo-Resistente Sozen (2004) Relación masa/rigidez Periodo Relación peso/resistencia Corte Basal Relación desplazamiento lateral/altura Deriva

10 Parámetros Importantes en el Diseño Sismo-Resistente Sozen (2004) Relación masa/rigidez Periodo Relación Corte Basal peso/resistencia Relación desplazamiento lateral/altura Deriva

11 Periodo T = 2 π M K Formulas Empíricas T = N /10 T = 0.073h 3/4 Metodo de Rayleigh T = 2π ω Fi Wi Δ i E k = E p E 1 k = ΣM i ω Δ 2 ( ) 2 E 1 = Σ F Δ 2 p i i W T = 2π Σ Δ gfδ 2 2π i i i i = T =

13 Corte Basal Daños estructurales

14 Corte Basal Housner (1982) Aceleración en el techo CB medido (daños menores) CB medido (sin daños) CB diseño

16 Deriva F i Δ f ( δ + δ + δ + δ ) i f c j d Rotaciones Columnas y Vigas (δ f ) W i Deformaciones por Corte Columnas y Vigas (δ c ) Deformación por Corte Juntas Viga-Columna (δ j ) Deslizamiento Barras de Acero (δ d )

17 Deriva F i Δ f ( δ + δ + δ + δ ) i f c j d Rotaciones Columnas y Vigas (δ f ) W i Deformaciones por Corte Columnas y Vigas (δ c ) Deformación por Corte Juntas Viga-Columna (δ j ) δ f Deslizamiento Elemento Vigas Columnas I e 0.5 I g 0.7 I g Barras de Acero (δ d )

18 Deriva F Δ ( i f δ f + δc + δ j + δd ) i Rotaciones Columnas y Vigas (δ f ) W i Deformaciones por Corte Columnas y Vigas (δc) δ c γ Deformación por Corte Juntas Viga-Columna (δj) Deslizamiento Barras de Acero (δ d )

19 Deriva F Δ ( i f δ f + δc + δ j + δd ) i Rotaciones Columnas y Vigas (δ f ) W i Deformaciones por Corte Columnas y Vigas (δc) Deformación por Corte Juntas Viga-Columna (δj) Deslizamiento Barras de Acero (δ d ) δ j

20 Deriva F Δ ( i f δ f + δc + δ j + δd ) i Rotaciones Columnas y Vigas (δ f ) W i Deformaciones por Corte Columnas y Vigas (δc) Deformación por Corte δ d Juntas Viga-Columna (δj) Deslizamiento Barras de Acero (δ d )

22 Principios Fundamentales en el Diseño Sismo-Resistente Evaluar el camino de las fuerzas laterales Evaluar discontinuidades de resistencia y rigidez Seleccionar la ubicación de rotulas plásticas Evitar la falla de columnas Evitar la falla por corte Usar muros de corte

23 Principios Fundamentales en el Diseño Sismo-Resistente Evaluar la ruta de las fuerzas laterales Evitar discontinuidades de resistencia y rigidez Seleccionar la ubicación de rotulas plásticas Evitar la falla de columnas Evitar la falla por corte Usar muros de corte

24 Evaluar la ruta de las fuerzas laterales Estacionamiento Northridge, CA, USA

28 Evitar discontinuidades de resistencia y rigidez h Δ

29 Evitar discontinuidades de resistencia y rigidez

30 Evitar discontinuidades de resistencia y rigidez

31 Evitar discontinuidades de resistencia y rigidez Solución para evitar la planta baja libre

32 Evitar discontinuidades de resistencia y rigidez Kobe, Japón

33 Evitar discontinuidades de resistencia y rigidez Kobe, Japón

35 Principios Fundamentales en el Diseño Sismo-Resistente Evaluar la ruta de las fuerzas laterales Evitar discontinuidades de resistencia y rigidez Seleccionar la ubicación de rotulas plásticas Rotula plástica?: lugar donde se concentran deformaciones inelásticas Donde es conveniente que se formen? En vigas Porque es necesario saber donde eventualmente se producirán? Requieren consideraciones especiales de diseño Evitar la falla de columnas Evitar la falla por corte

36 Principios Fundamentales en el Diseño Sismo-Resistente Evaluar la ruta de las fuerzas laterales Evitar discontinuidades de resistencia y rigidez Seleccionar la ubicación de rotulas plásticas Evitar la falla de columnas = salvar vidas Evitar la falla por corte Usar muros de corte

37 Colapso de columnas = colapso del entrepiso

39 Falla por corte de una columna corta (Kobe, Japón)

42 Falla por corte de una columna corta (Northridge, USA)

43 Falla por corte de una columna corta (Northridge, USA)

44 Columna corta

45 Falla de la columna corta Falla por corte

46 Recomendación, IPS1 -ACI- 2x x

48 Principios Fundamentales en el Diseño Sismo-Resistente Terremoto de Chile, 3 Marzo de 1985 (Mr 7.8) Alta densidad de muros en una dirección (ρ) ~ 3% El detallado de los muros eran menos estrictos que los requerimientos de la mayoría de los códigos de diseño modernos. Area en planta muro (ρ) = Σ Area muros / Area en planta ~ 3% Estos edificios sufrieron muy pocos daños.

49 Principios Fundamentales en el Diseño Sismo-Resistente Poderosa herramienta de diseño Δ h s = 0.2 S D1 h l w w w d g E ρ h c s D = deriva de piso H s = altura de piso S D1 = aceleración espectral de diseño para 1 segundo H w = altura del muro L w = longitud del muro w d = peso del edificio por m2 E c = módulo de elasticidad del concreto ρ = índice de muros

50 Principios Fundamentales en el Diseño Sismo-Resistente 3 Δ h s = 0.2S D1 h l w w wd g E ρ h c s 2.5 w d = 1 Ton/m 2 S D1 = 1 g 2 h s = 3 m De eriva 1.5 h w /l w =8 w w 1 h w /l w =6 h w /l w = h w /l w = ρ

51 Principios Fundamentales en el Diseño Sismo-Resistente Deformadas del Pórtico y el Muro

53 Diseño Basado en Desempeño Evaluar mecanismos de colapso bajo cargas laterales Seleccionar la ubicación de rotulas plásticas Calcular deflexiones laterales, evaluar daños Δ

55 Vigas: detallado para absorber energía Consideraciones en el diseño de columnas Proteger la columnas: columna fuerte vs. viga débil Uniones viga-columna

56 Vigas: detallado para absorber energía

57 Vigas: detallado para absorber energía ρ tension = (0.5) ρ balanceado En rótulas plásticas As inferior (1/2) As superior Diseñar para corte por capacidad Confinamiento adecuado en rotulas plásticas (estribos) Limitar el esfuerzo cortante a 1.6 f c Consideraciones en el diseño de columnas Proteger la columnas: columna fuerte vs. viga débil Uniones viga-columna

59 Vigas: Detallado para absorber energía ρ tension = (0.5) ρ balanceado

60 Vigas: Detallado para absorber energía ρ tension = (0.5) ρ balanceado

61 Vigas: Detallado para absorber energía ρ tension = (0.5) ρ balanceado Englekirk (2003)

62 Vigas: Detallado para absorber energía ρ tension = (0.5) ρ balanceado 100 ρ bal Mo omento (t ton-m) m ρ bal 0.65 m Curvatura (1/m)

64 Vigas: detallado d para absorber b energía En rotulas plásticas As inferior (1/2) As superior M ni - M nd - M n- o M n + (max M n en la junta)/4 h M ni+ (1/2) M ni - M nd+ (1/2) M nd - 2h 2h

65 Distribución uniforme del acero longitudinal Redistribución de Momentos Lograr un diseño eficiente Reducir el momento máximo (negativo generalmente) y compensarlo. con un incremento del momento mínimo (el positivo generalmente) Igualar la magnitud de los momentos a ambos lados de la junta

66 Redistribución de Momentos, principios básicos V j F M b1 M b3 Lc M b2 M b4 V j ΣV j +ΣV j +F=0 ΣMb =M b1 +M b2 +M b3 +M b4 = cte ΣMb =cte

67 Redistribución de Momentos, principios básicos (Paulay y Priestley 1992) G F S F Vj S+G

68 Redistribución de Momentos, principios básicos (Paulay y Priestley 1992) 8m 8m S+G ΣMb = =1267 Diseño (centro de la columna) (cara de la columna 60 x60 cm) M-= 340 M- = 300 M+= 294 M+ = 290 ΣMb = 2 (340) + 2 (294) = S+G 295 Redist

70 Vigas: Detallado para absorber energía Diseñar para corte por capacidad w M n1 V max ln V max M n2 M n + M n2 V (max) = l 1 n n w l + 2

72 Efecto del confinamiento Garcia y Sozen (2004)

73 Vigas: detallado d para absorber b energía Confinamiento adecuado en rotulas plásticas (estribos) 5 cm 10 cm d/4 h 2h 20 cm d/2 2h

75 Vigas: Detallado para absorber energía Limitar el esfuerzo cortante a 1.6 f c Niveles de corte en rótulas plásticas vs. comportamiento υ = V max 1.6 bd fc Esfuerzo cortante υ 0.8 f c 0.8 f c υ 1.6 f c υ 1.6 f c Comportamiento Excelente Bueno Pobre A s d A si 025A 0.25 s A si 0.25 A s A s b

76 Vigas: detallado para absorber energía Consideraciones en el diseño de columnas Proteger la columnas: columna fuerte vs. viga débil Uniones viga-columna Diseño de muros estructurales

77 Vigas: detallado para absorber energía Consideraciones en el diseño de columnas Máxima relación de aspecto 3/1 Distribuir el acero longitudinal de manera uniforme Máxima caga permisible en una columna P balanceada Diseñar para corte por capacidad Confinamiento adecuado (estribos) Proteger la columnas: columna fuerte vs. viga débil Uniones viga-columna Diseño de muros estructurales

79 Consideraciones i en el diseño de columnas Máxima relación de aspecto 3/1 Kobe, Japon

80 Consideraciones i en el diseño de columnas Máxima relación de aspecto 3/1

82 Consideraciones i en el diseño de columnas ACI -318 (2005) Distribuir el acero longitudinal de manera uniforme

84 Consideraciones en el diseño de columnas P Aplastamiento del concreto Cadencia del Acero M

85 Consideraciones en el diseño de columnas Máxima caga permisible en una columna P balanceada 100 Momento o (ton-m) P= P bal P=0.1 A g f c ρ=2% 0.5 m P=0 0.5 m Curvatura (1/m)

87 Consideraciones i en el diseño de columnas Diseñar para corte por capacidad Limitar el esfuerzo cortante a 1.6 f c V max M n2 (col) l n M n1 (col) V max V = max M ( col ) + M ( col ) n 1 n 2 l n

89 Consideraciones i en el diseño de columnas Confinamiento inadecuado

90 Consideraciones i en el diseño de columnas Confinamiento inadecuado

91 Confinamiento adecuado (estribos, ligaduras)

92 Confinamiento adecuado (estribos, ligaduras)

93 Confinamiento adecuado (estribos, ligaduras) sh c f A c g A sh A f yh A sh = area de acero transversal ch h c = dimension del núcleo, perpendicular a A sh =areagruesa sh c f A c g de concreto Ash f A ch = area de núcleo de concreto yh

94 Vigas: Detallado para absorber energía Confinamiento adecuado en rotulas plásticas (estribos) c2 2 c1 2 c2 L/6 s d/2 50 cm s 15 cm c1 s d/4 s 10 cm

95 Vigas: detallado para absorber energía Consideraciones en el diseño de columnas Proteger la columnas: columna fuerte vs. viga débil Columna fuerte vs. viga débil (menos fuerte) Calcular Mn (vig) incluyendo la contribución de la losa Uniones viga-columna Diseño de muros estructurales

96 Proteger la columnas: columna fuerte vs. viga débil Columna fuerte vs. viga débil (menos fuerte) Mn (vig) V vig V col ΣM n ( col) ΣM ( vig) n Mn (col)

97 Vigas: detallado para absorber energía Consideraciones en el diseño de columnas Proteger la columnas: columna fuerte vs. viga débil Columna fuerte vs. viga débil (menos fuerte) Calcular Mn (vig) incluyendo la contribución de la losa Uniones viga-columna Diseño de muros estructurales

98 Proteger la columnas: columna fuerte vs. viga débil Calcular Mn (vig) incluyendo la contribución de la losa be

99 Proteger la columnas: columna fuerte vs. viga débil Calcular Mn (vig) incluyendo la contribución de la losa b e luz/4 b w + 16(h f ) distancia entre vigas b e h f b w

100 Falla de columnas: principal causa de colapso Consideraciones en el diseño de columnas Vigas: detallado para absorber energía Proteger la columnas: columna fuerte vs. viga débil Uniones viga-columna Diseño de muros estructurales

101 Uniones viga-columna Demanda en la unión viga-columna V c Lc/2 d b V b M b Mb V b Lc/2 V c

102 Uniones viga-columna Limitar el esfuerzo cortante en la junta M- M+ V col Vuj(max) = T1 + C2 V col C 2 T 1 T 1 C 2 = α A = T 2 s1 f y = αa s2 f y T 2 C 1 2 Usar α 1.25 V col

103 Uniones viga-columna Limitar el esfuerzo cortante en la junta V φγ f b h uj j c j col γ j = 5.4 (juntas interiores) = 4.0 (juntas exteriores) = 3.4 (otras juntas) b j = ancho efectivo de la junta h col = profundidad de la columna paralela a la dirección donde se aplica el corte φ = 0.85

104 Uniones viga-columna Deformación de la unión viga-columna Distorsión a Corte de la Junta (γ)

105 Uniones viga-columna Verificar el anclaje de las barras en la conexión h col h col d b ( vig) 20, 28,32 h vig d b (beam) h vig d b ( col) 20, 28,32 d b (col) Barra # h col o h vig (cm)

106 Uniones viga-columna Limitar el esfuerzo cortante en la junta s=0.5 b j b c h c /2 b j b c

107 Uniones viga-columna Limitar el esfuerzo cortante en la junta s=0.3 b j b c h c /2 b j b c

108 Falla de columnas: principal causa de colapso Consideraciones en el diseño de columnas Vigas: detallado para absorber energía Proteger la columnas: columna fuerte vs. viga débil Uniones viga-columna Diseño de muros estructurales

109 Principios Fundamentales en el Diseño Sismo-Resistente Usar muros de corte Minimizan la posibilidad de mecanismos de piso Aportan rigidez a la estructura (bajan T) Es una forma económica para controlar las derivas Requieren especial cuidado a nivel de fundaciones Diseño: Por flexión: Diseñar usando compatibilidad de deformaciones Cuantía de refuerzo horizontal recomendada: Cuantía de refuerzo vertical recomendada: s ρ=as / (b.s) b

110 Principios Fundamentales en el Diseño Sismo-Resistente Diseño: Por corte: Vn = A ( α f ' c + ρ f ) cv c v y α c = 0.80 si hw / lw < 1.5 α c = 0.53 si hw / lw >2.0 Ventajas Económicas (García 1996, IABSE) best paper award- Para derivas menores a 0.75%h el uso de muros estructurales debe ser investigado pues su estos puede reducir las derivas hasta en un factor de 10 con respecto a la estructura de pórticos sin que se incurra en un aumento excesivo en costos

112 Nunca olvidar Rigidez-Resistencia-Deriva En general son preferible los edificios rígidos a flexibles -Usar muros de corte Columnas con carga menor a la balanceada (< 0.25 f c A g ) Tomar provisiones con respecto a las columnas cortas No plantas bajas libres Ser generosos con los estribos Limitar la deriva dada por el código al 0.01h (1.0%) Revisar los métodos clásicos de análisis

113 Para nunca olvidar Métodos clásicos de análisis Equilibrio de fuerzas (leyes de newton) Compatibilidad de deformaciones Sección transformada, -línea recta- Método de Cross. Columna análoga Método de pendiente deflexión (rotaciones) Líneas de influencia Área momento, viga conjugada, doble integración Método de flexibilidades

114 Gracias Gracias?????????????????????????????????????????????????????????????? Preguntas