jornadas de actualizaciÓn tÉcnica … · adoptamos un diseño alternativo que consiste en incluir...

JORNADAS DE ACTUALIZACIÓN TÉCNICA - ESTRUCTURAS METÁLICAS SISMORRESISTENTES

Módulo 7. Ejemplo de aplicación: Pórtico especial no arriostrado

JORNADAS DE ACTUALIZACIÓN TÉCNICA

ESTRUCTURAS METÁLICAS SISMORRESISTENTES

Ing. Francisco Javier Crisafulli

Ing. Eduardo Daniel Quiroga

Ushuaia, 21 y 22 de Setiembre de 2017

Provincia de Tierra del Fuego, A. e I. del A. S.

Ministerio de Obras y Servicios Públicos

Auspician:


Ejemplo de aplicación: Diseñar y verificar los componentes principales de un pórticos no arriostrado especial


Elevación de la estructura

X

Y

Riostras Riostras

1 2 3 4

A

B

C

5500 5500 5500

5000

6000

Núcleo de

circulación vertical.

Ecalera y ascensor

Conexión a momento

Riostras

Plano estructural A

3200

3000

3000

3000

3200

3000

3000

3000

5500 5500 55005000 6000

Plano estructural 1

Planta del edificio

3


Perfiles de vigas y columnas

Perfil Peso (kg/m) Área (mm2) Altura (mm)

W 10x30

W 250x44.8 44.8 5703 266

W 12x35

W 310x52.0 52.0 6645 318

W 16x40

W 410x60.0 60.0 7610 407

W 18x35

W 460x52.0 52.0 6645 450

W 18x46

W 460x68.0 68.0 8710 459

Acero F-24

Fy= 240 MPa

Fu= 360 MPa

E= 200000 MPa

4


Resolución: Realizamos primero el análisis de cargas y luego el análisis estructural con el método estático equivalente. La verificación de la distorsión horizontal de piso indica que la estructura es muy flexible en la dirección Y (elementos estructurales: 2 pórticos no arriostrados).

La distorsión de piso límite adoptada, según I-C 103, Parte 1, es 0.025 (Grupo B, condición ND: los elementos no estructurales están vinculados a la estructura en forma que no sufran daño por las deformaciones de ésta).

Se debe rediseñar la estructura.

5


Estructura modificada:

Adoptamos un diseño alternativo que consiste en incluir en los planos resistentes 2 y 3, pórticos especiales no arriostrados (iguales a los pórticos 1 y 4).

Adicionalmente, se reducen las secciones de las columnas para optimizar el diseño.

1 2 3 4

A

B

C

5500 5500 5500

5000

6000

Núcleo de


Ecalera y ascensor

Conexión a momento

Riostras

X

Y

Riostras Riostras

6


Perfiles de vigas y columnas

Perfil Peso (kg/m) Área (mm2) Altura (mm)

W 10x30

W 250x44.8 44.8 5703 266

W 12x35

W 310x52.0 52.0 6645 318

W 16x31

W 410x46.1 46.1 5880 403

W 16x45

W 410x67.0 67.0 8580 410

Acero F-24

Fy= 240 MPa

Fu= 360 MPa

E= 200000 MPa

7


Resolución: Realizamos nuevamente el análisis estructural y verificamos las distorsión horizontal de piso. En este caso se cumplen los límites reglamentarios.

Continuamos el proceso de diseño con la verificación de los distintos componentes del pórtico (en este ejemplo, realizaremos sólo algunas de las verificaciones más relevantes)

8


Resolución:

En este ejemplo se presentan las siguientes verificaciones numéricas:

• Vigas del pórtico, nivel 1 (perfil W 12x35)

• Verificación de la relación de momentos en el primer nivel (viga-columna interna) del pórtico 1.

• Verificación del panel nodal, conexión viga-columna interna del primer nivel.

9


Verificación de la viga, Nivel 1, Pórtico 1 Carga L

Sismo en Y Envolvente

10


Verificación de la viga, Nivel 1, Pórtico 1

Las resistencias requeridas a flexión y corte son:

• Mu = 100.98 kN m

• Vu = 67.38 kN

Pasos a realizar:

a) Clasificación de la sección y verificación de la relación ancho/espesor

a) Verificación de los estados límites últimos

• Fluencia (plastificación)

• Pandeo lateral-torsional

• Pandeo local de ala por flexión

• Pandeo local de alma por flexión

• Corte (incluyendo el pandeo local por corte).

a) Verificación de las condiciones de servicio flecha

Recordar que: 1kN = 1000 N 1MPa = 1 N/mm2 1m = 1000mm

11


Clasificación de la sección (Tabla B5.1, CIRSOC 301): Perfil W 12x35 (W 310x52.0): • Ala (caso 1): b/t = 83.5/13.2 = 6.3 Se verifica que b/t < p → ala compacta • Alma (caso 15): h/tw = 267 / 7.62 = 35.0 Se verifica que h/tw < p → alma compacta

167

318

7.62

13.2

Propiedades

geométricas:

A=6645mm

Zx=839000mm

rx=133.4mm

ry=39.1mm

2

3

267

5.108E

3.76 p yF

0.11240

2000000.38

E0.38 p

yF

Recordemos que las vigas de pórticos especiales (SMF) deber ser compactas 12


Verificación de los estados límites últimos • Fluencia (plastificación)

• Pandeo lateral-torsional

• Pandeo local de ala por flexión

• Pandeo local de alma por flexión

• Corte (incluyendo el pandeo local por corte).

La sección de la viga, en este caso, es una sección compacta, de modo que no se consideran los estados límites relacionados con el pandeo local. Además, como la viga se encuentra vinculada en toda su longitud a la losa de hormigón armado (que se comporta como un diafragma rígido en su plano) no se considera el estado límite de pandeo lateral-torsional. Para controlar la posibilidad de pandeo lateral-torsional cuando el ala comprimida es la inferior (que no está conectada a la losa) se deben disponer arriostramientos u otros elementos para asegurar la estabilidad del ala inferior comprimida

13


Estado límite de fluencia

Se determina el momento plástico, Mp, a partir de las propiedades de la sección:

Mn = Mp = Zx Fy = 839000 mm3 240 MPa =

= 201360000 N mm = 201.4 kN m

Md = b Mn = 0.90 201.4 = 181.3 kN m

Md > Mu = 100.98 kN m → verifica

Se observa que la resistencia de diseño a flexión es significativamente mayor que la resistencia requerida. Sin embargo, no puede reducirse la sección dado que es necesario asegurar la rigidez lateral de los pórticos para controlar las distorsiones de piso.

14


Estado límite de corte

La resistencia de diseño por corte se determina considerando el área del alma, Aw, y se compara con la resistencia requerida:

Vn = 0.6 Fy Aw Cv = 0.6 240 MPa 318 mm 7.62 mm

= 348935 N = 348.9 kN (Cv =1 en este caso)

Vd = v Vn = 1.0 363.5 = 363. 5 kN

Vd > Vu = 67.38 kN m → verifica

15


La verificación se realiza para las combinaciones de carga en servicio (en este caso D+L). Del análisis estructural obtenemos: f = 3.9 mm La flecha se compara con los valores máximos recomendados: fadm = L/300 = 6000/300= 20 mm Verifica

Verificación de las condiciones de servicio (flecha)

16


Relación de la resistencia flexional de columnas y vigas: Columna central, Nivel 1 – Vigas Nivel 1 Columna W 16x45 (W 410x67)

179

410

8.76

14.4

Propiedades

geométricas:

A=8580mm

Zx=1349000mm

Zy=238000mm

rx=168.9mm

ry=39.9mm

2

3

3346

Pu = 469.12 kN

Pu = 641.29 kN

17


Relación de la resistencia flexional de columnas y vigas: Debemos verificar que:

0.1*

*

pb

pc

M

M

)/(*

gucyccpc APFZM

uvbybypb MZFRM 1.1*

Resistencia de las columnas considerando el efecto de la carga axial:

Resistencia de las vigas considerando el efecto de la sobrerresistencia:

18

Rótula plástica

Lpdc

Vu


Relación de la resistencia flexional de columnas y vigas:

kNm 222.93 8580)641290/ (240 1349000M*

pc

kNm 250.00 8580)469120/ (240 1349000M*

pc

Nivel 1: Puc= kN 641.29 kN (obtenido del análisis estructural)

Nivel 2: Puc= kN 469.12 kN (obtenido del análisis estructural)

)/(*

gucyccpc APFZM

19



20

uvbybypb MZFRM 1.1*

kNm 354.28

97.21 kNm 201.4 1.5 1.1 *

pbM

kNm 343.21

90.10 kNm 201.4 1.5 1.1 *

pbM

Viga izquierda: Vu= 60.36 kN

Muv= (0.410/2+0.318/2) 60.36 = 21.97 kNm

Viga derecha: Vu= 29.95 kN

Muv= (0.410/2+0.318/2) 29.95 = 10.90 kN

60.36 kN

29.95 kN

Diagrama de corte para la combinación más desfavorable (la que origina valores de corte mayores)



21

0.168.021.34328.354

00.25093.222*

*

pb

pc

M

M

0.1*

*

pb

pc

M

M

Es necesario cambiar la sección de la columna con el objeto de incrementar su resistencia flexional Se adopta un perfil W 16x67 El diseño es un proceso iterativo se debe realizar nuevamente el análisis estructural y repetir las verificaciones

NO VERIFICA


Verificación del panel nodal:

La resistencia requerida (corte en el panel nodal) :

(recordemos que ΣM = Σ Ry Mp)

Resistencia de diseño:

22

kNtd

MV

fb

p 28.1982 )0132.0318.0(

)4.20101.42( 5.1

)(

pcyd td F 0.60 V v

= 0.60 240 415 10 = 622.50 kN

En este caso v =1.0

Vp >> Vd NO VERIFICA


Verificación del panel nodal: Reforzamos el panel nodal con agregado de dos chapas de 12.7mm (1/2 pulg.) de espesor, una a cada lado del alma de la columna:

23

12.70 12.70

30º

12.7

pcyd td F 0.60 V v

= 0.60 240 415 35.4 = 2115.50 kN

Espesor panel nodal tp = 10 + 2 12.7 = 35.4 mm

Vp < Vd VERIFICA


Verificación del panel nodal:

24

12.70 12.70

30º

12.7

VERIFICA

90

wdt zz

7.5mm90

13.2) 2-(318+16.9) 2-(415 mm 10

Adicionalmente, debemos verificar el espesor de la parte más delgada del panel (para evitar problemas de pandeo local):

Corte A-AVista lateral

A

A


Módulo 8. Ejemplo de aplicación: Pórtico especial arriostrado concéntricamente

JORNADAS DE ACTUALIZACIÓN TÉCNICA

ESTRUCTURAS METÁLICAS SISMORRESISTENTES

Ing. Francisco Javier Crisafulli

Ing. Eduardo Daniel Quiroga

Ushuaia, 21 y 22 de Setiembre de 2017

Provincia de Tierra del Fuego, A. e I. del A. S.

Ministerio de Obras y Servicios Públicos

Auspician:


Plano estructural A

3200

3000

3000

3000

3200

3000

3000

3000

5500 5500 55005000 6000

Plano estructural 1

Elevación de la estructura

X

Y

Riostras Riostras

1 2 3 4

A

B

C

5500 5500 5500

5000

6000

Núcleo de


Ecalera y ascensor

Conexión a momento

Riostras

Planta del edificio

26


27

Perfiles de vigas, columnas y riostras

Perfil Peso

(kg/m) Área (mm2) Altura (mm)

W 10x30

W 250x44.8 44.8 5703 266

W 16x40

W 410x60.0 60.0 7610 407

W 18x35

W 460x52.0 52.0 6645 450

W 18x46

W 460x68.0 68.0 8710 459

Acero F-24

Fy= 240 MPa

Fu= 360 MPa

E= 200000 MPa

Riostra Tubo circular Peso

(kg/m)

Área

(mm2)

Radio de

giro (mm)

BR1 = 150 mm

t = 6.35 mm 22.49 2866 50.8

BR2 = 120 mm

t = 4.0 mm 11.44 1458 41.0

BR3 = 100 mm

t = 3.2 mm 7.63 973 34.0


Resolución:

En este ejemplo se presentan las siguientes verificaciones numéricas:

• Riostra BR1

• Diseño de la conexión de la riostra al pórtico.

• Verificación de columna.

28


Verificación riostra BR1

Resistencia requerida: se obtiene del análisis estructural para las combinaciones de carga más desfavorables.

Los miembros sometidos a esfuerzos axiales de compresión y tracción, en general, deben verificar los siguientes estados límites:

• Pandeo flexional (compresión)

• Pandeo flexional o flexo-torsional (compresión)

• Pandeo local (compresión)

• Fluencia en el área bruta (tracción)

• Fluencia en el área neta efectiva (tracción)

29


Verificación riostra BR1 – Compresión Riostra: Tubo circular 150x6.35 mm, r = 50.8 mm

Esbeltez: k L/ r = 1.0 3968 / 50.8= 78.1 (L se adopta como la mayor longitud posible entre bordes de viga y columna, ver figura)

Se verifica la condición 𝑘 𝐿

𝑟≤

2626

𝐹𝑦= 169.5

VERIFICA

Se requiere que la sección sea compacta según Tabla 9.1:

𝐷

𝑡=

150

6.35= 23.6 ≤

8964

𝐹𝑦= 37.4 VERIFICA

30

5500

3698

3200


31

Verificación riostra BR1 - Compresión

En este caso, por tratarse se un tubo circular con sección compacta, se verifica solamente el estado límite de pandeo flexional:

Esbeltez adimensional:

pandeo en rango inelástico

Tensión crítica:


Pd= 429.0 kN, Pn= 505 kN

Pu =436.37 kN (diferencia 1.7%) → Verifica ???

1.5 0.86 E

F

1

r

Lkλ

y

c

MPa 176.1658.0F 2

cr c

Pd = Pn = 0.85 Ag Fcr = 429.0 kN


32

Verificación riostra BR1 - Tracción

• Fluencia en el área bruta:

Pd = t Fy Ag = 0.90 240 MPa 2866 mm2 = 619.1 kN

• Rotura en el área neta: Es necesario calcular el área neta efectiva según unión.

Refuerzo

Chapa de nudo

t=7.94mm

40

Zona de

fluencia

150

l=20

0Tubo Ø150mm

t = 6.35mm

Chapa nodal

t =7.94 mm

7.9

4

Refuerzo

25x3.18mm

An = 2866 – 2 7.94 6.35 + 2 25 3.18 = 2924 mm2


33

Verificación riostra BR1 - Tracción

• Rotura en el área neta:

Área neta efectiva: Ae = U An

Factor de retraso de corte:

U = 1 – x/L ≤ 0.9 = 0.77

x=45.7mm L=200 mm

Ae=0.77 2924 = 2251 mm2


Pd = t Fu Ae = 0.75 360 MPa 2251 mm2 = 607.8 kN

Pd= 347.51 kN < Pu =607.8 kN → Verifica


34

Verificación Columna Plano A.

Pu = -1181,31 kN de las combinaciones CIRSOC 301

Se ha pre-dimensionado para las columnas un perfil W 16x45. Ag = 85,80 cm², ry = 3,99cm

Esbeltez: k L/ r = 1.0 320 / 3,99= 80

Esbeltez adimensional:

pandeo en rango inelástico

Tensión crítica:


La sección cumple según CIRSOC 301

Pu=-1181,31kN Pu=-98,97kN

1.5 0.88 E

F

1

r

Lkλ

y

c

MPa 173.8658.0F 2

cr c

Pd = Pn = 0.85 Ag Fcr = 1268 kN > 1181,31


Verificación Columna Plano A.

Según capítulo 8. INPRES-CIRSOC 103. Parte IV

Si Pu / Pn > 0,40 se deben considerar además las combinaciones especiales:

a) Compresión: Resistencia requerida a compresión simple sin momento. Comb. especiales

b) Tracción: Resistencia requerida a compresión simple sin momento Comb. especiales

c) Las R. R. de a) y b) deben ser menores que las producidas por riostras y vigas con sobre-resistencia.

Se deben considerar esfuerzos x 1,1 x Ry

Si Pu / Pn 1181/1268 = 0,93 > 0,40 Combinaciones Especiales


Pu=-1181,31kN Pu=-98,97kN

Pu

D -377 kN

L -157 kN

EH ±416 kN

a) Compresión (Comb. Especiales)

Pu = - 1,2 x 377 - 0,5 x 157 – 2.5 x 416 = - 1571 kN

b) Tracción (Comb. Especiales)

Tu = - 0,9 x 377 + 2.5 x 416 = 700 kN

c) Columna A-3 y Diagonal

Pu columna = 1181,31 kN; Pu diagonal = 436,37 kN

Factor por Resistencia Esperada de la diagonal

1,1 x Ry x Pn/Pu = 1,1 x 1,5 x 505/436,37 = 1,91 (factor de amplificación)

Pu-esperado columna = - 1,2 x 377 - 0,5 x 157 - 1.91x 416 kN = 1326 kN

Verificación Columna Plano A

Resumen de Solicitaciones para Columna

1) Pu columna = 1181,31 kN (s/Combinaciones CIRSOC 301 / INPRES-CIRSOC 103 I)

2) Pu columna = 1571 kN (s/Comb. especiales INPRES-CIRSOC 103 IV)

3) Pu columna = 1326 kN (s/ Resistencia Esperada con endurecimiento) La menor

La mayor


Pu=-1181,31kN Pu=-98,97kN

Verificación Columna Plano A

Resumen de Solicitaciones para Columna

1) Pu columna = 1181,31 kN

2) Pu columna = 1571 kN

3) Pu columna = 1326 kN 1326kN

1326 kN

Pu = -1326kN.

El perfil W 16x45 Pd = 1268 kN < 1326 kN No Verifica

Se prueba un perfil W 16x57 Ag = 94,80 cm², ry = 4,04cm

Esbeltez: k L/ r = 1.0 320 / 4,04= 79 Esbeltez adimensional:

Tensión crítica:


La sección cumple según CIRSOC 301 e INPRES-CIRSOC 103 Parte IV

1.5 0.87 E

F

1

r

Lkλ

y

c

MPa 96,481658.0F 2

cr c

Pd = Pn = 0.85 Ag Fcr = 1412 kN> 1326 kN

jornadas de actualizaciÓn tÉcnica … · adoptamos un diseño alternativo que consiste en incluir...

Documents