. Pórticos con perfiles de lámina - Respuesta sísmica Gabriel Valencia Clement.

Transcripción

1 CONSIDERACIONES SOBRE EL DISEÑO SÍSMICO DE PÓRTICOS A MOMENTO CONSTRUIDOS CON PERFILES DE LÁMINA DELGADA Introducción Por razones económicas, el uso de estructuras construidas con perfiles de lámina delgada ha venido creciendo en todos los países. El suministro de perfiles para este tipo de construcción se ha incrementado en los últimos años en Colombia en forma notable PRM con perfiles de lámina 2 Introducción Hay códigos para el diseño de los miembros, en USA, el American Iron and Steel Institute, AISI, publica la North American Specification for the Design of Cold-Formed Steel Structural Members NSR tiene un capítulo dedicado al tema, PRM con perfiles de lámina 3 PRM con perfiles de lámina 4 1

2 Introducción Pero en cuestiones de diseño sísmico En varios códigos y especificaciones de diseño, para el caso de estructuras de acero: Si R 3 No se requiere considerar Provisiones sísmicas - AISC (AISC, 2005), Sec.1; - FEMA 450 (NERHP, 2003), Sec y Table 4.3-1; - ASCE7 (ASCE, 2005), Sec ), PRM con perfiles de lámina 5 Introducción Siempre que sean Categorías B, C o D, y en ciertos casos D o E. Para el caso de estructuras armadas con perfiles de lámina delgada, ASCE7 (ASCE, 2010) en la Sec : Se acepta un fator R tomado de la tabla , cuando la estructura se ha diseñado y detallado de acuerdo con AISI Lateral for light-framed cold-formed steel construction Los sistemas no diseñados así, se deben diseñar con R = 3 PRM con perfiles de lámina 6 Introducción Pero AISI-Lateral (AISI, 2004), fija requisitos para estructuras con - muros de corte (metálicos) - paneles con diagonales y - diafragmas Pero no para PRMs Introducción Por lo tanto al diseñar PRMs armados con perfiles de lámina delgada, PLD, según los citados códigos, se puede usar un coeficiente de modificación de respuesta, R = 3 en algunos casos incluso en Categorias E o F. No obstante, el autor considera que diseñar con valores de R mayores de 1.0 (eventualmente 1.5), puede llevar a diseños inseguros y poco confiables, PRM con perfiles de lámina 7 PRM con perfiles de lámina 8 2

3 Introducción Por esta razón una investigación sobre el comportamiento de las conexiones viga-columna de miembros de lamina delgada, Con cargas de magnitud y dirección variable (acciones cíclicas), Como una primera aproximación al estudio del comportamiento de los PRMs con PLD ante acciones sísmicas PRM con perfiles de lámina 9 2. Conexiones Estudiadas Hasta la fecha se han ensayado 28 especímenes en escala 1:1 En todos los casos miembros armados con dos PLD - Sección cajón - Sección I (espalda-espalda) Variables: - Tipo de secciones, - Relaciones ancho/espesor - Tipo de refuerzos en la conexión PRM con perfiles de lámina Conexiones Estudiadas Detalle de la fabricación PRM con perfiles de lámina 11 Tesis de maestría Ing Sergio Villar (Vilar Valencia, 2007) Acciones Sísmicas en Estructuras de Acero 12 3

4 2. Conexiones Estudiadas Se consideraron dos aspectos muy importantes desde el punto de vista de la respuesta sísmica del edificio: 1) La resistencia teórica de los miembros, teniendo en cuenta el principio viga débil columna fuerte, 2) La resistencia de los elementos de la conexión, (placas atiesadores, etc), calculada de modo de garantizar que permanezcan en rango elástico aun si los miembros conectados alcanzan la plastificación. 3. Comportamiento Teórico La resistencia teórica de los elementos se evaluó considerando la resistencia al post-pandeo. Como se emplearon relaciones ancho/espesor altas, en algunos casos, M n << M p. Es decir, la resistencia se calcula con las propiedades de la sección efectiva PRM con perfiles de lámina 13 PRM con perfiles de lámina Comportamiento Teórico 3. Comportamiento Teórico AISI acepta que se puede considerar cierta reserva inelástica de resistencia, si se cumplen: 1. El miembro no está solicitado por torsión o por pandeo flexo-torsional 2. No se considera incremento de F y por tratamiento en frío 3. La relación ancho/espesor de la porción comprimida del alma no excede λ l 4. La fuerza cortante es menor de 0.6 F y ht 5. Inclinación del alma < 30 PRM con perfiles de lámina 15 En todo caso, M n Los elementos de la conexión: - Placas, - Atiesadores - Platinas de asiento - Platinas de cortante - Soldaduras - Etc 1.25 S e F y Se diseñaron para σ F y PRM con perfiles de lámina 16 4

5 3. Comportamiento Teórico Mediante FEA se han adelantado análisis elásticos e inelásticos de las conexiones. Se usan dos softwares de análisis: - SAP - ANSYS 3. Comportamiento Teórico Los análisis FEA se realizan con el fin de evaluar hasta qué punto es posible usar el procedimiento FEA en lugar de los ensayos (costos, tiempo, logística) El enmallado Para los análisis inelásticos se define la curva σ ε así: E E/30 PRM con perfiles de lámina Marco experimental La tendencia de los códigos actuales con respecto a las conexiones es ensayar para conocer su comportamiento Los ensayos deben contemplar el comportamiento en el tiempo, por lo que se usan protocolos de carga estandarizados para hacer comparables los resultados Se relacionan los desplazamientos del extremo de la viga con las cargas aplicadas PRM con perfiles de lámina 19 PRM con perfiles de lámina 20 5

6 4. Marco experimental El Montaje en laboratorio En este extremo se miden desplazamientos El Montaje en el laboratorio PRM con perfiles de lámina Marco experimental Esa relación P- se plantea en protocolos. El del AISC establece: Se usó en los primeros ensayos, pero Para conexiones de PLD en el rango elástico, ese protocolo no permitía visualizar el comportamiento de la conexión (por los fenómenos de inestabilidad local) PRM con perfiles de lámina Marco experimental Entonces se adoptó un protocolo con énfasis en rango elástico: Etapa N Carga Ciclos Deformación δ y δ y δ y δ y δ y δ y δ y δ y δ y δ y δ y δ y Tasa aplicación de carga = 0.1 mm/s Para incrementos de esfuerzos en las aletas comprendidos entre 6 y 30 MPa/s Que es la tasa recomendada para ensayos de tensión simple 6

7 Protocolo de carga 4. Marco experimental El análisis inelástico ANSYS: Durante el ensayo Acciones Sísmicas en Estructuras de Acero 25 PRM con perfiles de lámina 26 Al final del ensayo: 5. Resultados Se hicieron ensayos - Con carga monotónica - Con cargas cíclicas En el de carga monotónica, la carga se aplica en una sola dirección en forma incremental Se compararon los resultados con los hallados en los análisis FEA Villar Valencia, 2007 PRM con perfiles de lámina 28 7

8 Resultado típico del ensayo con carga monotónica Carga cíclica Una gran degradación con pocos ciclos Pandeo local PRM con perfiles de lámina 29 Tipos de fallas Grandes deformaciones en la zona de panel Mientras que perfiles laminados (con relaciones bajas de ancho/espesor) PRM con perfiles de lámina 31 8

9 Tipos de fallas Desgarramiento de las paredes de la columna cuando se usa sección I en las vigas Pandeo local de las aletas en compresión con esfuerzos por debajo del de fluencia Villar Valencia, 2007 Desgarramiento de las aletas en las zonas de altas concentraciones de esfuerzos, en los puntos donde terminan los refuerzos usados en las diferentes conexiones Desgarramiento de las aletas en las zonas de altas concentraciones de esfuerzos en la unión de la viga y la columna cuando no hay refuerzos López Valencia,

10 Iniciación del pandeo del alma a una distancia d/2 de la conexión Pandeo local de la aleta en las vecindades al sitio donde terminan los diferentes refuerzos estudiados 6. Estimación del coeficiente R: Se modelaron PRMs de tres pisos. Se realizaron análisis de plastificación progresiva (pushover) 6. Estimación del coeficiente R: - Para estimar R se utilizaron la propuesta de Newmark y Hall (1972) y el método del espectro de capacidad. Las conexiones se modelaron con rigidez definida por las curvas M-θ determinadas en los ensayos PRM con perfiles de lámina 39 10

11 6. Estimación del coeficiente R: Considerando la degradación de resistencia y de rigidez, que limita en gran manera la respuesta de la estructura en rango inelástico Se llega a la conclusión de que el valor de R está entre 1.5 y Estimación del coeficiente R: La aparición de los fenómenos descritos atrás, en la curva de capacidad como una pérdida de resistencia y de rigidez lateral, Para pequeños incrementos de carga las deformaciones crecen considerablemente. PRM con perfiles de lámina 41 PRM con perfiles de lámina 42 Degradación PRM con perfiles de lámina 43 PRM con perfiles de lámina 44 11

12 1. La degradación de la resistencia que se encuentra con ensayos con carga cíclica es apreciablemente mayor que con carga monotónica, por lo que no se recomienda determinar el comportamiento de este tipo de perfiles con base en ensayos monotónicos 2. No es conveniente usar conexiones viga-columna fabricadas con miembros de lámina delgada sin usar refuerzos internos a modo de placas de continuidad en la columna, así como refuerzos externos. PRM con perfiles de lámina 45 La resistencia de las conexiones sin ningún refuerzo (interno o externo) es muy baja, y está por debajo de la resistencia a la flexión de las vigas 3. Es muy importante el detallado de las soldaduras, Algunos de los especímenes ensayados presentaron fallas locales en los extremos de soldaduras de corta longitud aplicadas en la viga, justamente a partir de la interfaz con la columna PRM con perfiles de lámina Las vigas armadas con secciones I compuestas por perfiles C espalda-espalda, conectadas a columnas tipo sección cajón, comportamientos no recomendables: - Deformaciones de las conexiones son muy significativas, - Desgarramientos de las paredes de las columnas, - Fenómenos de torsión en las vigas, - Pandeo de los bordes sueltos - Otros fenómenos locales 12

13 5. Los análisis FEA - ANSYS, presentan buena correlación con los resultados experimentales predicen con buena aproximación los resultados de parámetros básicos (dispersión del 10%): - Deflexiones, - Momentos - En general el comportamiento de la conexión con cargas monotónicas No obstante, no se detecta la degradación de la resistencia en ciclos posteriores a los iniciales, PRM con perfiles de lámina PLD baja capacidad de disipación de energía en rango inelástico (por fenómenos de inestabilidad local) No es recomendable usar elementos de lámina delgada en estructuras que requieran disipación especial o moderada de energía. De acuerdo con criterios NSR-10, no se pueden diseñar pórticos resistentes a momento especiales o intermedios con ese tipo de elementos. PRM con perfiles de lámina Para el diseño de PRMs, se recomienda usar un valor de R para diseño entre 1.2 y 1.5, Si las estructuras se armarán con PLD con relaciones ancho espesor del orden de a 250 para almas y - 30 a 40 para aletas, Y siempre y cuando se usen platinas de continuidad en el interior de la columna PRM con perfiles de lámina 51 Mención Especial En esta presentación se incluyeron los resultados de los trabajos de grado de - Ing Enrique López Guerrero - Ing Sergio Villar Salinas - Ing Maritza Uribe Vallejo Estudiantes de la maestría en Estructuras de la Universidad Nacional de Colombia quienes han trabajado, con un gran sentido de responsabilidad y un excepcional compromiso, en la investigación que realiza el autor. Los ensayos se han realizado en la Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito 13

14 Gracias por su atención! 14