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. Pórticos con perfiles de lámina - Respuesta sísmica Gabriel Valencia Clement .
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CONSIDERACIONES SOBRE EL DISEÑO SÍSMICO DE PÓRTICOS A MOMENTO CONSTRUIDOS CON PERFILES DE LÁMINA DELGADA
Gabriel Valencia Clement
PRM con perfiles de lámina Gabriel Valencia Clement
Introducción
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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 Gabriel Valencia Clement3 PRM con perfiles de lámina Gabriel Valencia Clement
Introducción
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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,
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PRM con perfiles de lámina Gabriel Valencia Clement
Introducción
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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. 8.2.1 y Table 4.3-1;
- ASCE7 (ASCE, 2005), Sec. 14.1.2),
PRM con perfiles de lámina Gabriel Valencia Clement
Introducción
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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.14.1.2:
“Se acepta un fator R tomado de la tabla 12.2-1, 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 Gabriel Valencia Clement
Introducción
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Pero AISI-Lateral (AISI, 2004), fija requisitos para
estructuras con
- muros de corte (metálicos)
- paneles con diagonales y
- diafragmas
Pero no para PRMs
PRM con perfiles de lámina Gabriel Valencia Clement8
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,
Introducción
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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
Introducción
PRM con perfiles de lámina Gabriel Valencia Clement
2. Conexiones Estudiadas
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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
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2. Conexiones Estudiadas
Acciones Sísmicas en Estructuras de Acero Gabriel Valencia Clement
Detalle de la fabricación
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Tesis de maestría Ing Sergio Villar (Vilar – Valencia, 2007)
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PRM con perfiles de lámina Gabriel Valencia Clement13
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.
2. Conexiones Estudiadas
PRM con perfiles de lámina Gabriel Valencia Clement14
La resistencia teórica de los elementos se evaluó
considerando la resistencia al post-pandeo.
3. Comportamiento Teórico
Es decir, la resistencia se calcula con las propiedades de la
sección efectiva
Como se emplearon relaciones ancho/espesor altas, en
algunos casos, Mn << Mp.
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AISI acepta que se puede considerar cierta reserva
inelástica de resistencia, si se cumplen:
3. Comportamiento Teórico
1. El miembro no está solicitado por torsión o por pandeo
flexo-torsional
2. No se considera incremento de Fy por tratamiento en frío
3. La relación ancho/espesor de la porción comprimida del
alma no excede λl
4. La fuerza cortante es menor de 0.6 Fy ht
5. Inclinación del alma < 30°
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En todo caso,
Mn ≤ 1.25 Se Fy
3. Comportamiento Teórico
Los elementos de la conexión:
- Placas,
- Atiesadores
- Platinas de asiento
- Platinas de cortante
- Soldaduras
- Etc
Se diseñaron para σ ≤ Fy
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PRM con perfiles de lámina Gabriel Valencia Clement17
3. Comportamiento Teórico
Mediante FEA se han adelantado análisis elásticos e
inelásticos de las conexiones.
Se usan dos softwares de análisis:
- SAP
- ANSYS
Para los análisis
inelásticos se define
la curva σ−ε así: E
E/30
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)
3. Comportamiento Teórico
El enmallado
PRM con perfiles de lámina Gabriel Valencia Clement19 PRM con perfiles de lámina Gabriel Valencia Clement
4. Marco experimental
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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
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4. Marco experimental
En este extremo se
miden desplazamientos
PRM con perfiles de lámina Gabriel Valencia Clement21
El Montaje en
laboratorio
El Montaje en el laboratorio
PRM con perfiles de lámina Gabriel Valencia Clement
4. Marco experimental
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Esa relación P-∆ se plantea
en protocolos.
El del AISC establece:
Para conexiones de PLD � en el rango elástico, ese
protocolo no permitía visualizar el comportamiento de la
conexión (por los fenómenos de inestabilidad local)
Se usó en los primeros
ensayos, pero
4. Marco experimental
Entonces se adoptó un protocolo con énfasis en rango elástico:Etapa N°Carga Ciclos Deformación
1 6 0.25δy2 6 0.50δy3 6 0.75δy4 4 1.00δy5 4 1.25δy6 4 1.50δy7 2 1.75δy8 2 2.00δy9 2 2.25δy
10 2 2.50δy11 2 2.75δy12 2 3.00δy
Tasa aplicación de carga = 0.1 mm/s
Para incrementos de esfuerzos en lasaletas comprendidos entre 6 y 30 MPa/s
Que es la tasa recomendada para
ensayos de tensión simple
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Acciones Sísmicas en Estructuras de Acero Gabriel Valencia Clement
Protocolo de carga
25 PRM con perfiles de lámina Gabriel Valencia Clement
4. Marco experimental
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El análisis inelástico ANSYS:
Durante el ensayo
Villar – Valencia, 2007
Al final del ensayo:
PRM con perfiles de lámina Gabriel Valencia Clement
5. Resultados
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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
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PRM con perfiles de lámina Gabriel Valencia Clement29
Resultado típico del ensayo con carga monotónica Carga cíclica
Una gran
degradación
con pocos
ciclos
Pandeo
local
Mientras que perfiles laminados
(con relaciones bajas de
ancho/espesor)
PRM con perfiles de lámina Gabriel Valencia Clement31
Tipos de fallas
• Grandes deformaciones en la zona de panel
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Tipos de fallas
• Pandeo local de las
aletas en compresión
con esfuerzos por
debajo del de fluencia
Villar – Valencia, 2007
• Desgarramiento de las paredes de la columna cuando seusa sección I en las vigas
• 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, 2005
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• 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)
Las conexiones se modelaron con rigidez definida por las
curvas M-θ determinadas en los ensayos
PRM con perfiles de lámina Gabriel Valencia Clement39
6. Estimación del coeficiente R:
- Para estimar R se utilizaron la propuesta de Newmark y
Hall (1972) y el método del espectro de capacidad.
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6. Estimación del coeficiente R:
PRM con perfiles de lámina Gabriel Valencia Clement41
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 1.8.
6. Estimación del coeficiente R:
PRM con perfiles de lámina Gabriel Valencia Clement42
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 Gabriel Valencia Clement43
Degradación
PRM con perfiles de lámina Gabriel Valencia Clement
7. Conclusiones
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PRM con perfiles de lámina Gabriel Valencia Clement
7. Conclusiones
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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
7. Conclusiones
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.
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
PRM con perfiles de lámina Gabriel Valencia Clement
7. Conclusiones
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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
7. Conclusiones
- 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
4. Las vigas armadas consecciones I compuestas por
perfiles C espalda-espalda,
conectadas a columnas tipo
sección cajón,
� comportamientos no
recomendables:
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PRM con perfiles de lámina Gabriel Valencia Clement
7. Conclusiones
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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 Gabriel Valencia Clement
7. Conclusiones
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6. 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 Gabriel Valencia Clement
7. Conclusiones
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7. 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
- 150 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
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”
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¡Gracias por su atención!
Gabriel Valencia Clement