Diseño sismorresistente de construcciones de acero

(1)

Diseño sismorresistente

de construcciones de

acero

(2)

Agradecimientos

El autor agradece al Instituto Latinoamericano del

Fierro y del Acero, ILAFA, quien en su afán de

pro-mover y difundir el uso del acero en América Latina,

mover y difundir el uso del acero en América Latina,

propuso y apoyó la realización de la presente

publi-cación. En particular, se destaca el constante apoyo

cación. En particular, se destaca el constante apoyo

del Sr. Alberto Pose para el desarrollo del trabajo.

Se reconoce especialmente la tarea de revisión realiz

Se reconoce especialmente la tarea de revisión realiza-

a-da por el Ing. Eduardo Daniel Quiroga, quien aportó

da por el Ing. Eduardo Daniel Quiroga, quien aportó

comentarios y sugerencias vinculados con aspectos

técnicos de la publicación. Se agradecen también los

aportes de la Profesora Silvina Negri para mejorar la

redacción del texto.

Ficha catalográfca

Francisco Javier Crisafulli

Diseño sismorresistente de construcciones de acero

ISBN: 978-956-8181-09-3

71 p.;

Capítulo 1:

Capítulo 1:IntroducciónIntroducción;; Capítulo 2Capítulo 2:: Aspectos generales del diseño sismorresis-Aspectos generales del diseño

sismorresis-tente

tente;; Capítulo 3:Capítulo 3:Pórticos no arriostradosPórticos no arriostrados;; Capítulo 4:Capítulo 4:Pórticos no arriostradosPórticos no arriostrados;;

Capítulo 5

Capítulo 5:: Pórticos arriostrados excéntricamentePórticos arriostrados excéntricamente..

Instituto Latinoamericano del Fierro y el Acero (ILAFA)

Benjamín 2944. Piso 5

Las Condes, Santiago, Chile

E-mail: [email protected]

Site: www.ilafa.org

(3)

Índice

Agradecimientos Agradecimientos... i... i Índice Índice... i... i Notación Notación... i... i Capítulo 1: Introducción Capítulo 1: Introducción 1.1.

1.1. OBJETIVO, OBJETIVO, ALCANCES ALCANCES YY

ORGANIZACIÓN... 1 ORGANIZACIÓN... 1 1.2.

1.2. MÉTODOS MÉTODOS DE DE DISEÑO: DISEÑO: ASD ASD Y Y LRFD.... LRFD.... 11 1.3.

1.3. RIESGO RIESGO SÍSMICO SÍSMICO E E INGENIERÍAINGENIERÍA

SISMORRESISTENTE... 3 SISMORRESISTENTE... 3 1.4.

1.4. ESTRUCTURAS ESTRUCTURAS DÚCTILESDÚCTILES

DE ACERO... 4 DE ACERO... 4 1.4.1.

1.4.1. El acero El acero como material como material estructural... 4estructural... 4 1.4.2.

1.4.2. Aspectos geAspectos generales del nerales del comportamientocomportamiento estructural... 5 estructural... 5 1.4.3.

1.4.3. Clasificación Clasificación de de secciones...secciones... ... 66 1.4.4.

1.4.4. Efectos de Efectos de segundo osegundo orden...rden... 7... 7 1.4.5.

1.4.5. Comportamiento Comportamiento sísmico dsísmico de estructurase estructuras de acero... 8 de acero... 8 Capítulo 2: Aspectos Generales del diseño

Capítulo 2: Aspectos Generales del diseño sismorresistente

sismorresistente 2.1.

2.1. EL EL SISMO SISMO COMO COMO ACCIÓN ACCIÓN DEDE

DISEÑO... 11 DISEÑO... 11 2.1.1.

2.1.1. Espectros Espectros de de respuesta...respuesta... ... 1111 2.1.2.

2.1.2. Espectros de Espectros de diseño...diseño... ... 1212 2.1.3.

2.1.3. Acción vertical Acción vertical del sismo...del sismo... ... ... 1313 2.2.

2.2. DISEÑO DISEÑO POR POR CAPACIDAD...CAPACIDAD... ... 1313 2.3.

2.3. FILOSOFIA FILOSOFIA DEL DEL DISEÑODISEÑO

SISMORRESISTENTE... 14 SISMORRESISTENTE... 14 2.4.

2.4. DESPLAZAMIENTOS DESPLAZAMIENTOS LATERALES LATERALES YY DISTORSIÓN DE

DISTORSIÓN DE PISO...PISO... ... 1515 2.5.

2.5. ESTADOS ESTADOS DE DE CARGA CARGA Y Y ANÁLISIS... ANÁLISIS... 1616 2.5.1.

2.5.1. Factor dFactor de redundae redundancia...ncia... .. 1616 2.5.2.

2.5.2. Combinaciones de Combinaciones de carga con acciócarga con acción den de

sismo... 17 sismo... 17 2.5.3.

2.5.3. Métodos dMétodos de análisis...e análisis... ... ... 1717 2.6.

2.6. TIPOS TIPOS ESTRUCTURALES ESTRUCTURALES PARAPARA CONSTRUCCIONES DE

CONSTRUCCIONES DE ACERO...ACERO... .. 1818 2.6.1.

2.6.1. Pórticos Pórticos no no arriostrados...arriostrados... 1... 188 2.6.2.

2.6.2. Pórticos arriostradoPórticos arriostrados concéntricamente... s concéntricamente... 1919 2.6.3.

2.6.3. Pórticos arriostraPórticos arriostrados excéndos excéntricamente... 2tricamente... 200 2.6.4.

2.6.4. Muros de corte con Muros de corte con placas de acero... placas de acero... 2121 2.6.5.

2.6.5. Sistemas con Sistemas con disipadores de disipadores de energía.energía.

Barras de pandeo restringido... 24 Barras de pandeo restringido... 24 2.7.

2.7. SISTEMAS SISTEMAS SISMORRESISTENTES... SISMORRESISTENTES... 2626 2.7.1.

2.7.1. Zonas Zonas protegidas...protegidas... ... 2626 2.7.2.

2.7.2. Tipos de Tipos de soldadura. Soldsoldadura. Soldaduras deaduras de

demanda crítica... 27 demanda crítica... 27 2.7.3.

2.7.3. Área Área "k"..."k"... . 2727 Capítulo 3: Pórticos no arriostrados

Capítulo 3: Pórticos no arriostrados 3.1.

3.1. INTRODUCCIÓN...INTRODUCCIÓN... ... 2929 3.1.1.

3.1.1. Comportamiento Comportamiento estructural...estructural... ... 2929 3.1.2.

3.1.2. Conexiones Conexiones precalificadas...precalificadas... ... ... 3030 3.2.

3.2. PÓRTICOS PÓRTICOS NO NO ARRIOSTRADOSARRIOSTRADOS

ESPECIALES... 30 ESPECIALES... 30 3.2.1.

3.2.1. Aspectos Aspectos generales...generales... ... ... 3030 3.2.2.

3.2.2. Conexiones Conexiones viga-columna...viga-columna...3030 3.2.3.

3.2.3. Placas Placas de de continuidad...continuidad...3131 3.2.4.

3.2.4. Panel Panel nodal...nodal... ... 3131 3.2.5.

3.2.5. Relación ancRelación ancho-espesor pho-espesor para vigas ara vigas yy

columnas... 34 columnas... 34 3.2.6.

3.2.6. Relación entre Relación entre la resistencia la resistencia flexionalflexional de columnas y vigas...

de columnas y vigas... ... 3434 3.2.7.

3.2.7. Restricción lateral Restricción lateral en conen conexiones...exiones... . 3434 3.2.8.

3.2.8. Restricción lateral Restricción lateral en vigen vigas...as... ... 3535 3.3.

INTERMEDIOS... 35 INTERMEDIOS... 35 3.3.1.

3.3.3. Placas Placas de de continuidad...continuidad...3535 3.3.4.

3.3.4. Panel Panel nodal...nodal... ... 3535 3.3.5.

3.3.5. Relación ancRelación ancho-espesor pho-espesor para vigas ara vigas yy

columnas... 36 columnas... 36 3.3.6.

3.3.6. Restricción lateral Restricción lateral en vigen vigas...as... ... 3636 3.4.

ORDINARIOS... 36 ORDINARIOS... 36 3.4.1.

3.4.3. Placas Placas de de continuidad...continuidad...3737 3.5.

3.5. COMPARACIÓN COMPARACIÓN DE DE LOSLOS

REQUERIMIENTOS DE DISEÑO... 37 REQUERIMIENTOS DE DISEÑO... 37 3.6.

3.6. CONEXIONES CONEXIONES VIGA-COLUMNA... VIGA-COLUMNA... 3737 3.6.1.

3.6.1. Conexiones Conexiones reforzadas...reforzadas... ... ... 3838 3.6.2.

3.6.2. Conexiones con Conexiones con vigas de vigas de secciónsección

reforzada... 40 reforzada... 40 3.6.3.

3.6.3. Otras Otras conexiones...conexiones... .... 4141 3.7.

3.7. REHABILITACIÓN REHABILITACIÓN SÍSMICA SÍSMICA DEDE

PÓRTICOS EXISTENTES... 42 PÓRTICOS EXISTENTES... 42 Capítulo 4: Pórticos arriostrados concéntricamente Capítulo 4: Pórticos arriostrados concéntricamente 4.1.

4.1. INTRODUCCIÓN...INTRODUCCIÓN... ... 4343 4.2.

4.2. COMPORTAMIENTO COMPORTAMIENTO ESTRUCTURALESTRUCTURAL DE LAS RIOSTRAS... 43 DE LAS RIOSTRAS... 43 4.2.1.

4.2.1. Respuesta Respuesta cíclica...cíclica... ... 4343 4.2.2.

4.2.2. Factores que aFactores que afectan la respufectan la respuesta...esta... ... 4545 4.3.

4.3. CONFIGURACIÓN CONFIGURACIÓN GEOMÉTRICA GEOMÉTRICA DEDE LAS RIOSTRAS... 47 LAS RIOSTRAS... 47 4.3.1.

4.3.1. Criterios Criterios estructurales...estructurales... ... ... 4747 4.3.2.

4.3.2. Riostras en Riostras en V y V y V invertida... 47V invertida... 47 4.3.3.

4.3.3. Riostras Riostras en en K...K... 48... 48 4.3.4.

4.3.4. Riostras tipo Riostras tipo tensor tensor en X...en X... ... 49... 49 4.3.5.

4.3.5. Diseño Diseño de de conexiones...conexiones... ... ... 5050 4.4.

4.4. PÓRTICOS PÓRTICOS ESPECIALES ESPECIALES ARRIOS-

ARRIOS-TRADOS CONCÉNTRICAMENTE... 50 TRADOS CONCÉNTRICAMENTE... 50 4.4.1.

4.4.1. Objetivo Objetivo general dgeneral del disel diseño...eño... 5... 500 4.4.2. Ri

4.4.2. Riostras...ostras... .. 5151 4.4.3.

4.4.3. Configuración Configuración de las de las riostras...riostras... 5... 522 4.4.4.

(4)

4.4.5. Conexiones...

4.4.5. Conexiones... ... 5252 4.4.6.

4.4.6. Requerimientos eRequerimientos especiales paspeciales para pórticosra pórticos con arriostramientos en V

con arriostramientos en V y V invertida...y V invertida... . 5353 4.4.7.

4.4.7. Arriostramientos Arriostramientos en en K...K... 5... 533 4.4.8.

4.4.8. Sistemas Sistemas duales...duales... ... 5353 4.5.

4.5. PÓRTICOS PÓRTICOS ORDINARIOS ORDINARIOS ARRIOS- ARRIOS-TRADOS CONCÉNTRICAMENTE...

TRADOS CONCÉNTRICAMENTE... 54... 54

Capítulo 5: Pórticos arriostrados excéntricamente Capítulo 5: Pórticos arriostrados excéntricamente 5.1.

5.1. INTRODUCCIÓN...INTRODUCCIÓN... ... 5555 5.2.

5.2. CONSIDERACIONES CONSIDERACIONES ESTRUC-

ESTRUC-TURALES... 55 TURALES... 55 5.2.1.

5.2.1. Configuración Configuración geométrica...geométrica... ... 5555 5.2.2.

5.2.2. Rigidez Rigidez lateral...lateral... ... 5656 5.2.3.

5.2.3. Comportamiento esComportamiento estructural del entructural del enlace... 57lace... 57 5.2.4.

5.2.4. Resistencia Resistencia del del enlace...enlace... .. 5858 5.2.5.

5.2.5. Deformación ineDeformación inelástica del enlástica del enlace... 5lace... 599 5.2.6.

5.2.6. Resistencia lateral Resistencia lateral del pórtico... del pórtico... 6060 5.2.7.

5.2.7. Comparación entre enlaces largos y cortos... Comparación entre enlaces largos y cortos... 6060 5.3.

5.3. DETALLE DETALLE DEL DEL ENLACE ENLACE Y Y CONE-

CONE-XIONES... 61 XIONES... 61 5.4.

5.4. PÓRTICOS PÓRTICOS ESPECIALES ESPECIALES ARRIOS-

ARRIOS-TRADOS EXCÉNTRICAMENTE... 62 TRADOS EXCÉNTRICAMENTE... 62 5.4.1

5.4.1 Enlaces...Enlaces... ... 6262 5.4.2.

5.4.2. Riostras, columnRiostras, columnas y as y vigas...vigas... 62... 62 5.4.3.

5.4.3. Relaciones Relaciones ancho-espesor...ancho-espesor... ... 6262 5.4.4. Conexiones...

5.4.4. Conexiones... ... 6262 5.4.5.

5.4.5. Sistemas Sistemas duales...duales... ... 6363 Referencias bibliográficas

(5)

Notación

a

a separación separación máxima máxima entre entre rigidizadores rigidizadores de de enlaceenlace b

b ancho ancho de de un un elemento elemento de de la la secciónsección bbbf bf ancho del ala de la vigaancho del ala de la viga

bbcf cf ancho del ala de la columnaancho del ala de la columna bbf f ancho del alaancho del ala

C

Cdd factor de amplificación de desplazamientosfactor de amplificación de desplazamientos D

D cargas cargas de de peso peso propio propio de de la la estructura estructura y y otrosotros elementos

elementos

ddbb altura total de una vigaaltura total de una viga ddcc altura total de una columnaaltura total de una columna ddzz ancho del panel nodalancho del panel nodal E

E acción acción del del sismosismo F

F carga carga debida debida a a fluidos, fluidos, oo fuerza lateral

fuerza lateral FFaa coeficiente de sitiocoeficiente de sitio

FFEE resistencia lateral ante acciones sísmicasresistencia lateral ante acciones sísmicas

FFuu resistencia de tracción mínima para el aceroresistencia de tracción mínima para el acero especificado

especificado FFvv coeficiente de sitiocoeficiente de sitio

FFyy tensión mínima de fluencia para el acero especi-tensión mínima de fluencia para el acero especi-ficado

ficado H

H carga carga debida debida al al empuje empuje lateral lateral de de suelos, suelos, deldel agua en el suelo o de otros materiales

agua en el suelo o de otros materiales a granela granel h

h altura altura de de pisopiso

hhoo distancia entre baricentro de las alasdistancia entre baricentro de las alas IIbb momento de inercia de la vigamomento de inercia de la viga IIcc momento de inercia de la columnamomento de inercia de la columna K

K factor factor de de longitud longitud de de pandeo pandeo efectivaefectiva L

L sobrecarga sobrecarga de de uso, uso, oo longitud de una barra longitud de una barra L

Lhh distancia entre rótulas plásticas en la distancia entre rótulas plásticas en la viga.viga. L

Lrr sobrecarga en cubiertassobrecarga en cubiertas L

L longitud longitud de de pandeopandeo M

Mnn momento nominalmomento nominal M

Mpp momento plásticomomento plástico P

P carga carga verticalvertical

PPcc carga axial de compresióncarga axial de compresión PPtt carga axial de traccióncarga axial de tracción PPuu carga axial requeridacarga axial requerida

PPucuc resistencia requerida a compresiónresistencia requerida a compresión PPyy carga axial de fluenciacarga axial de fluencia

ppaa probabilidad anual de excedenciaprobabilidad anual de excedencia

pptt probabilidad de excedencia en un periodo deprobabilidad de excedencia en un periodo de tiempo t

tiempo t Q

Q factor factor de de reducción reducción para para secciones secciones esbeltasesbeltas comprimidas

comprimidas R

R carga carga por por lluvia lluvia oo

factor de modificación de respuesta factor de modificación de respuesta R

Rdd resistencia de diseñoresistencia de diseño R

Rnn resistencia nominalresistencia nominal R

Rtt relación entre la resistencia de tracción esperadarelación entre la resistencia de tracción esperada y la resistencia de tracción mínima, F

y la resistencia de tracción mínima, Fuu

R

Ruu resistencia requeridaresistencia requerida R

Ryy relación entre la tensión de fluencia esperada yrelación entre la tensión de fluencia esperada y la tensión mínima de fluencia, F

la tensión mínima de fluencia, Fyy R

Rµµ factor de ductilidadfactor de ductilidad r

r radio radio de de girogiro S

S carga carga de de nieve nieve o o hielohielo

SSDSDS aceleración espectral de diseño para T=0.2saceleración espectral de diseño para T=0.2s SSD1D1 aceleración espectral de diseño para T=1.0saceleración espectral de diseño para T=1.0s SSSS aceleración espectral MCE para T=0.2saceleración espectral MCE para T=0.2s SS11 aceleración espectral MCE para T=1.0saceleración espectral MCE para T=1.0s T

T acciones acciones resultantes resultantes del del impedimento impedimento de de cam- cam-bios dimensionales (originados por bios dimensionales (originados por asentamien-tos, efectos térmicos, contracción por fragüe, tos, efectos térmicos, contracción por fragüe, fluencia lenta, etc.), o

fluencia lenta, etc.), o

periodo de vibración fundamental de una periodo de vibración fundamental de una estruc-tura

tura T

TLL periodo de transición para periodos largosperiodo de transición para periodos largos T

TRR periodo de retornoperiodo de retorno V

V corte corte en en un un nivelnivel V

VDD corte basal de diseñocorte basal de diseño V

Vee corte basal elásticocorte basal elástico V

VYY corte basal de fluencia o resistencia lateral de lacorte basal de fluencia o resistencia lateral de la estructura

estructura

t t espesor espesor de de un un elemento, elemento, oo intervalo de tiempo intervalo de tiempo ttbf bf espesor del ala de la vigaespesor del ala de la viga ttcf cf espesor del ala de la columnaespesor del ala de la columna ttpp espesor total del panel nodalespesor total del panel nodal ttww espesor del almaespesor del alma

W

W carga de carga de vientoviento w

wzz altura del panel nodalaltura del panel nodal Z

Z módulo módulo plástico plástico de de una una secciónsección

α

α ángulo de inclinaciónángulo de inclinación α

αcc factor de reducción para pandeo poscríticofactor de reducción para pandeo poscrítico

∆

∆ desplazamiento relativo de pisodesplazamiento relativo de piso δ

δ desplazamiento lateraldesplazamiento lateral δ

δee desplazamiento lateral elásticodesplazamiento lateral elástico

δ

δ_SS desplazamiento lateral de diseñodesplazamiento lateral de diseño δ

δYY desplazamiento lateral de fluenciadesplazamiento lateral de fluencia

θ

θ índice de estabilidad oíndice de estabilidad o

distorsión horizontal de piso distorsión horizontal de piso

ξξ factor de amortiguamientofactor de amortiguamiento λ

λ factor de cargafactor de carga ρ

ρ factor de redundanciafactor de redundancia φ

φ factor de resistenciafactor de resistencia φ

φvv factor de resistencia a cortefactor de resistencia a corte



 factor de seguridadfactor de seguridad 

DD factor de factor de sobrerresistencia sobrerresistencia de diseñode diseño



MM factor de sobfactor de sobrerresistencia rerresistencia de debida al de debida al materialmaterial



oo factor de sobrerresistencia del sistemafactor de sobrerresistencia del sistema



SS. . factor factor de de sobrerresistencia del sobrerresistencia del sistemasistema ..

(6)

Capítulo 1

Introducción

1.1.

1.1. OBJETIVO, ALCANCES OBJETIVO, ALCANCES Y ORGANIZAY ORGANIZA--CIÓN DEL TEXTO

CIÓN DEL TEXTO

El objetivo fundamental de esta publicación es El objetivo fundamental de esta publicación es presen-tar una guía de utilidad práctica para los ingenieros tar una guía de utilidad práctica para los ingenieros estructurales vinculados al diseño sismorresistente de estructurales vinculados al diseño sismorresistente de construcciones de acero. En ella se incluyen conceptos construcciones de acero. En ella se incluyen conceptos básicos y criterios de diseño para los sistemas básicos y criterios de diseño para los sistemas resisten-te más usuales, como son los pórticos sin arriostrar te más usuales, como son los pórticos sin arriostrar (pórticos a momento) y los pórticos arriostrados (pórticos a momento) y los pórticos arriostrados concéntrica y

concéntrica y excéntricamente. excéntricamente. Para su Para su redacción, seredacción, se ha tomado como referencia la publicación

ha tomado como referencia la publicación SeismicSeismic Provisions for Structural Steel Buildings

Provisions for Structural Steel Buildings (AISC(AISC

2005a), preparada por el

2005a), preparada por el American American Institute Institute of of SteelSteel Construction

Construction, AISC, considerando la amplia difusión, AISC, considerando la amplia difusión

que este documento tiene en Latinoamérica, ya sea que este documento tiene en Latinoamérica, ya sea como reglamento de diseño o como bibliografía de como reglamento de diseño o como bibliografía de consulta. Se incluye también una breve descripción de consulta. Se incluye también una breve descripción de otros sistemas estructurales, como los pórticos con otros sistemas estructurales, como los pórticos con riostras de pandeo restringido y los muros especiales riostras de pandeo restringido y los muros especiales con placas de acero, que representan avances recientes con placas de acero, que representan avances recientes de la ingeniería estructural que ya han sido aplicados de la ingeniería estructural que ya han sido aplicados en países como Estados Unidos y Japón.

en países como Estados Unidos y Japón.

Es importante aclarar, para no defraudar las Es importante aclarar, para no defraudar las expec-tativas del lector, que el desarrollo de los temas se tativas del lector, que el desarrollo de los temas se realiza en forma general, haciendo énfasis en los realiza en forma general, haciendo énfasis en los aspec-tos conceptuales. No se incluyen descripciones tos conceptuales. No se incluyen descripciones detalla-das de todetalla-das las especificaciones de diseño, das de todas las especificaciones de diseño, demostra-ciones, desarrollos analíticos o ejemplos numéricos ciones, desarrollos analíticos o ejemplos numéricos como los que pueden encontrarse en libros como los que pueden encontrarse en libros especializa-dos, manuales de diseño o artículos técnicos. No dos, manuales de diseño o artículos técnicos. No obs-tante ello, se incluyen referencias bibliográficas y datos tante ello, se incluyen referencias bibliográficas y datos adicionales de consulta que son de utilidad para adicionales de consulta que son de utilidad para com-plementar y profundizar los temas tratados.

plementar y profundizar los temas tratados.

Para una adecuada comprensión de este texto, el Para una adecuada comprensión de este texto, el lector debe contar con conocimientos sobre análisis lector debe contar con conocimientos sobre análisis estructural, conceptos básicos de dinámica y criterios estructural, conceptos básicos de dinámica y criterios de diseño de estructuras de acero. En relación a este de diseño de estructuras de acero. En relación a este último tema, existe una variada bibli

último tema, existe una variada bibliografía a consultar,ografía a consultar, por ejemplo, Bruneau et al. (1997), McCormac (2002), por ejemplo, Bruneau et al. (1997), McCormac (2002), Salmon et al. (2008), Vinnakota (2006). Desde el punto Salmon et al. (2008), Vinnakota (2006). Desde el punto de vista reglamentario, el documento

de vista reglamentario, el documento Specification for Specification for Structural Steel Buildings

Structural Steel Buildings (AISC, 2005b) representa la(AISC, 2005b) representa la

referencia principal. referencia principal.

En las secciones siguientes de este capítulo se En las secciones siguientes de este capítulo se pre-sentan algunos conceptos básicos vinculados a los sentan algunos conceptos básicos vinculados a los criterios de diseño según los métodos de tensiones criterios de diseño según los métodos de tensiones admisibles, ASD, y de factores de carga y resistencia, admisibles, ASD, y de factores de carga y resistencia, LFRD, a riesgo sísmico y a temas generales de LFRD, a riesgo sísmico y a temas generales de estruc-turas dúctiles de acero. En el Capítulo 2 se incluyen turas dúctiles de acero. En el Capítulo 2 se incluyen nociones del diseño sismorresistente que permiten nociones del diseño sismorresistente que permiten

comprender los criterios de verificación presentes en comprender los criterios de verificación presentes en las especificaciones AISC, junto con una descripción las especificaciones AISC, junto con una descripción de los tipos estructurales para construcciones de acero. de los tipos estructurales para construcciones de acero. Los Capítulos 3, 4 y 5 presentan las principales Los Capítulos 3, 4 y 5 presentan las principales especi-ficaciones y requerimientos vinculados a los tres tipos ficaciones y requerimientos vinculados a los tres tipos de estructuras más usados como sistema de estructuras más usados como sistema sismorresis-tente, esto es: pórticos no arriostrados, pórticos tente, esto es: pórticos no arriostrados, pórticos arrios-trados concéntricamente y pórticos arriosarrios-trados trados concéntricamente y pórticos arriostrados ex-céntricamente.

céntricamente.

A lo largo del texto se indican diversas siglas A lo largo del texto se indican diversas siglas em-pleadas en las especificaciones AISC y en la pleadas en las especificaciones AISC y en la biblio-grafía técnica en idioma inglés. En algunos casos no se grafía técnica en idioma inglés. En algunos casos no se ha realizado la traducción en idioma español porque las ha realizado la traducción en idioma español porque las mismas son de aplicación frecuente en Latinoamérica y mismas son de aplicación frecuente en Latinoamérica y su uso facilita la lectura de las especificaciones y de la su uso facilita la lectura de las especificaciones y de la bibliografía.

bibliografía. 1.2.

1.2. MÉTODOS DE MÉTODOS DE DISEÑO: ASD Y DISEÑO: ASD Y LRFDLRFD Las especificaciones para construcciones de acero Las especificaciones para construcciones de acero vigentes en Estados Unidos de América (AISC, 2005b) vigentes en Estados Unidos de América (AISC, 2005b) consideran dos métodos generales de diseño: el método consideran dos métodos generales de diseño: el método de las tensiones admisibles (ASD por las siglas de de las tensiones admisibles (ASD por las siglas de

Allowable Strength Design

Allowable Strength Design), y el método de factores de), y el método de factores de

carga y resistencia (por las siglas de

carga y resistencia (por las siglas de Load Load and and Resis- Resis-tance Factor Design

tance Factor Design).).

El primer método se basa en verificar que las El primer método se basa en verificar que las ten-siones inducidas en los elementos estructurales no siones inducidas en los elementos estructurales no excedan una tensión admisible, la cual resulta de excedan una tensión admisible, la cual resulta de divi-dir la resistencia del material (usualmente la tensión de dir la resistencia del material (usualmente la tensión de fluencia F

fluencia Fyy) por un factor de seguridad) por un factor de seguridad . Este proce-. Este proce-dimiento es ampliamente conocido por los ingenieros dimiento es ampliamente conocido por los ingenieros estructurales y ha sido utilizado a lo largo de muchas estructurales y ha sido utilizado a lo largo de muchas décadas. La combinación de estados de carga décadas. La combinación de estados de carga requeri-das para este método, según el reglamentoASCE/SEI das para este método, según el reglamentoASCE/SEI 7-05,

7-05, MinimumDesign Loads MinimumDesign Loads for for Buildings Buildings and and Other Other Structures

Structures(ASCE, 2005) son:(ASCE, 2005) son:

1. 1. D D + + FF 2. 2. D + H D + H + F+ + F+ L + TL + T 3. 3. D + H D + H + F + F + (L+ (Lrro S o R)o S o R) 4. 4. D + H + D + H + F + 0F + 0.75(L + T) + 0.75(L + T) + 0.75(L.75(Lrro S o R)o S o R) 5. 5. D + H + D + H + F + (W o F + (W o 0.7E)0.7E) 6. 6. D + H + D + H + F + 0F + 0.75(W o 0.7E) + 0.75(W o 0.7E) + 0.75L.75L + 0.75(L + 0.75(Lrro S o R)o S o R) 7. 7. 0.6D + 0.6D + W + W + HH 8. 8. 0.6D 0.6D + + 0.7E 0.7E + + H H (1-1)(1-1) donde D es la carga permanente por peso propio, F la donde D es la carga permanente por peso propio, F la carga debida a fluidos, T representa la acción resultante carga debida a fluidos, T representa la acción resultante del impedimento de cambios dimensionales, H es la del impedimento de cambios dimensionales, H es la

(7)

carga debida empuje lateral de suelos, del agua en el carga debida empuje lateral de suelos, del agua en el suelo o de otros materiales a granel, L es la sobrecarga suelo o de otros materiales a granel, L es la sobrecarga de uso, L

de uso, Lrres la sobrecarga en cubiertas, S es la es la sobrecarga en cubiertas, S es la carga decarga de nieve, R es la carga por lluvia, W la carga de viento y E nieve, R es la carga por lluvia, W la carga de viento y E representa la acción del sismo.

representa la acción del sismo.

Por el contrario, el método LRFD es más reciente; Por el contrario, el método LRFD es más reciente; algunos países de Latinoamérica lo han adoptado en algunos países de Latinoamérica lo han adoptado en loslos últimos años,

últimos años, mientras mientras que otros que otros países continúan países continúan concon el método ASD. A nivel académico, los datos el método ASD. A nivel académico, los datos obteni-dos de un relevamiento informal en distintas dos de un relevamiento informal en distintas universi-dades de Latinoamérica indican qué solo algunas dades de Latinoamérica indican qué solo algunas uni-versidades ha incorporado en los planes de estudio de versidades ha incorporado en los planes de estudio de ingeniería civil la enseñanza del método LRFD. Es por ingeniería civil la enseñanza del método LRFD. Es por ello que resulta conveniente presentar una descripción ello que resulta conveniente presentar una descripción conceptual d

conceptual del el mismo en esta mismo en esta publicación.publicación.

El método de diseño LRFD se basa en la evaluación El método de diseño LRFD se basa en la evaluación de una serie de estados límites, los cuales pueden de una serie de estados límites, los cuales pueden defi-nirse como una condición, aplicable a toda la estructura nirse como una condición, aplicable a toda la estructura o a uno de sus componentes, más allá de la cual no o a uno de sus componentes, más allá de la cual no queda satisfecho el comportamiento requerido o queda satisfecho el comportamiento requerido o espe-rado. Los estados límites se dividen en

rado. Los estados límites se dividen en dos grupos:dos grupos:

•

• Estados límites de servicio: son aquellos vinculadosEstados límites de servicio: son aquellos vinculados

a condiciones de funcionamiento y su a condiciones de funcionamiento y su incumpli-miento puede afectar el normal uso de la miento puede afectar el normal uso de la construc-ción.. Como ejemplo, puede mencionarse el control ción.. Como ejemplo, puede mencionarse el control de deformaciones excesivas en vigas o de de deformaciones excesivas en vigas o de vibracio-nes en un entrepiso cuando se someten a cargas de nes en un entrepiso cuando se someten a cargas de servicio.

servicio.

•

• Estados límites de resistencia (o últimos): son losEstados límites de resistencia (o últimos): son los

relacionados con la capacidad resistente ante cargas relacionados con la capacidad resistente ante cargas últimas y se vinculan directamente con la seguridad últimas y se vinculan directamente con la seguridad estructural para prevenir el daño y el colapso. Estos estructural para prevenir el daño y el colapso. Estos estados varían según el tipo de solicitación estados varían según el tipo de solicitación actuan-te, y usualmente se requiere verificar varios de ellos te, y usualmente se requiere verificar varios de ellos para un mismo componente. Algunos de los estados para un mismo componente. Algunos de los estados límites de resistencia más usuales son: fluencia, límites de resistencia más usuales son: fluencia, ro-tura, formación de rótulas plásticas, inestabilidad tura, formación de rótulas plásticas, inestabilidad global de un componente, pandeo local y pandeo global de un componente, pandeo local y pandeo la-teral torsional.

teral torsional.

La verificación de los estados límites de resistencia La verificación de los estados límites de resistencia se realiza a través de la comparación entre las se realiza a través de la comparación entre las solicita-ciones resultantes de aplicar las combinasolicita-ciones de ciones resultantes de aplicar las combinaciones de cargas mayoradas (en estado último) y la resistencia cargas mayoradas (en estado último) y la resistencia correspondientes a dicho estado, lo cual puede correspondientes a dicho estado, lo cual puede expre-sarse como:

sarse como:

Resistencia requerida, R

Resistencia requerida, Ruu(demanda)(demanda)

≤ ≤

Resistencia de diseño, R

Resistencia de diseño, Rdd(suministro)(suministro)

Este criterio de verificación de un estado límite de Este criterio de verificación de un estado límite de resistencia puede expresarse matemáticamente a través resistencia puede expresarse matemáticamente a través de la siguiente expresión:

de la siguiente expresión:

Σλ

ΣλiiQQii≤≤φφRRnn (1-2)(1-2)

donde

donde λλi representa los factores de carga que multipli-i representa los factores de carga que

multipli-can las distintas cargas o sobrecargas de servicio Q can las distintas cargas o sobrecargas de servicio Qii,, φφ es el factor de resistencia correspondiente a ese estado es el factor de resistencia correspondiente a ese estado límite y R

límite y Rnn es la resistencia nominal obtenida a partires la resistencia nominal obtenida a partir

de expresiones o procedimientos indicados en los de expresiones o procedimientos indicados en los re-glamentos vigentes y considerando estimaciones glamentos vigentes y considerando estimaciones con-servadoras acerca de las propiedades de los materiales. servadoras acerca de las propiedades de los materiales. Para la cuantificación de los factores de carga y Para la cuantificación de los factores de carga y resis-tencia se considera un modelo probabilístico (en el cual tencia se considera un modelo probabilístico (en el cual las cargas Q y las resistencias R se representan como las cargas Q y las resistencias R se representan como variables aleatorias estadísticamente independientes), variables aleatorias estadísticamente independientes), la calibración y comparación con el método ASD y la la calibración y comparación con el método ASD y la evaluación fundamentada en la experiencia y ejemplos evaluación fundamentada en la experiencia y ejemplos desarrollados por ingenieros estructurales.

desarrollados por ingenieros estructurales. Los factores de resistencia

Los factores de resistencia φφ multiplican la resis-multiplican la

resis-tencia nominal o

tencia nominal o teórica, a los teórica, a los efectos de efectos de considerarconsiderar incertidumbres debidas a los procedimientos de incertidumbres debidas a los procedimientos de cálcu-lo, materiales, dimensiones, mano de obra, etc. Los lo, materiales, dimensiones, mano de obra, etc. Los valores que adopta este factor dependen del tipo de valores que adopta este factor dependen del tipo de componente y de la solicitación actuante. Así por componente y de la solicitación actuante. Así por ejemplo, se tiene: 0.90 para fluencia en miembros en ejemplo, se tiene: 0.90 para fluencia en miembros en tracción, 0.75 para fractura, 0.85 para miembros en tracción, 0.75 para fractura, 0.85 para miembros en compresión y 0.90 para componentes sometidos a compresión y 0.90 para componentes sometidos a flexión y corte.

flexión y corte.

El método LRFD considera diversas combinaciones El método LRFD considera diversas combinaciones de carga, las cuales surgen de asumir que cada una de de carga, las cuales surgen de asumir que cada una de ellas actúa separadamente con el máximo valor ellas actúa separadamente con el máximo valor espera-do en la vida útil de la construcción (acción de base), do en la vida útil de la construcción (acción de base), mientras que las otras cargas (acciones de mientras que las otras cargas (acciones de acompaña-miento) adoptan valores usuales, todas con igual miento) adoptan valores usuales, todas con igual pro-babilidad de ocurrencia. A modo de ejemplo, se babilidad de ocurrencia. A modo de ejemplo, se pre-sentan combinaciones de cargas según lo requerido por sentan combinaciones de cargas según lo requerido por ASCE/SEI 7-05: ASCE/SEI 7-05: 1. 1.4(D+F) 1. 1.4(D+F) 2. 2. 1.2(D+F+T) 1.2(D+F+T) + 1+ 1.6(L+H) + .6(L+H) + 0.5(L0.5(Lrro S o R)o S o R) 3. 3. 1.2D 1.2D + + 1.6(L1.6(Lrro S o R) + (L o 0.8W)o S o R) + (L o 0.8W) 4. 4. 1.2D + 1.2D + 1.6W + L 1.6W + L + 0.5(L+ 0.5(Lrro S o R)o S o R) 5. 5. 1.2D + 1.2D + 1.0 E + 1.0 E + L + L + 0.2S0.2S 6. 6. 0.9D + 0.9D + 1.6W + 1.6W + 1.6H1.6H 7. 7. 0.9D 0.9D + + 1.0E 1.0E + + 1.6H 1.6H (1-3)(1-3) Es importante mencionar que en las combinaciones 3, Es importante mencionar que en las combinaciones 3, 44 y 5 está permitido reducir el efecto de la carga L y 5 está permitido reducir el efecto de la carga L cuan-do el valor de la sobrecarga de uso definicuan-do por el do el valor de la sobrecarga de uso definido por el reglamento es menor o igual a 4.79

reglamento es menor o igual a 4.79 kN/mkN/m22_..

Puede observarse en las combinaciones de carga Puede observarse en las combinaciones de carga definidas por las Ecuaciones (1-3) que el factor definidas por las Ecuaciones (1-3) que el factor corres-pondiente a la acción sísmica es 1.0. Ello es así, por pondiente a la acción sísmica es 1.0. Ello es así, por que los reglamentos vigentes definen dicha a acción a que los reglamentos vigentes definen dicha a acción a un nivel correspondiente a estado último, a diferencia un nivel correspondiente a estado último, a diferencia de otras acciones, como la carga L cuyos valores se de otras acciones, como la carga L cuyos valores se determinan a nivel servicio y luego son mayorados. determinan a nivel servicio y luego son mayorados.

De lo expuesto, y a modo de resumen, puede De lo expuesto, y a modo de resumen, puede con-cluirse que las diferencias entre ambos métodos son cluirse que las diferencias entre ambos métodos son tanto conceptuales como operativas. El método ASD tanto conceptuales como operativas. El método ASD plantea el diseño a partir de comparaciones de plantea el diseño a partir de comparaciones de tensio-nes, considerando combinaciones de estados de carga nes, considerando combinaciones de estados de carga definidos a nivel de servicio. El coeficiente de definidos a nivel de servicio. El coeficiente de seguri-dad engloba, en un único valor, las distintas dad engloba, en un único valor, las distintas incerti-dumbres vinculadas a las acciones y a la resistencia de dumbres vinculadas a las acciones y a la resistencia de la estructura. El método LRFD considera estados la estructura. El método LRFD considera estados lími-tes de servicio y de resistencia. Éstos últimos son los tes de servicio y de resistencia. Éstos últimos son los

(8)

que se vinculan a la seguridad estructural y se verifican que se vinculan a la seguridad estructural y se verifican mediante una comparación de esfuerzos (momentos mediante una comparación de esfuerzos (momentos flectores, esfuerzos de corte, cargas axiales) según flectores, esfuerzos de corte, cargas axiales) según corresponda. La identificación de los estados límites de corresponda. La identificación de los estados límites de falla es una parte integral del proceso de diseño. La falla es una parte integral del proceso de diseño. La combinación de cargas se realiza incluyendo factores combinación de cargas se realiza incluyendo factores de carga que adoptan distintos valores según el estado de carga que adoptan distintos valores según el estado considerado; dichos valores surgen de consideraciones considerado; dichos valores surgen de consideraciones estadísticas y reflejan las probables variaciones de las estadísticas y reflejan las probables variaciones de las acciones de diseño. La resistencia requerida o acciones de diseño. La resistencia requerida o solicita-ciones así obtenidas corresponden a estado último. La ciones así obtenidas corresponden a estado último. La resistencia de diseño incluye un factor de resistencia, resistencia de diseño incluye un factor de resistencia, cuyo valor depende del tipo de estado límite (modo de cuyo valor depende del tipo de estado límite (modo de falla) considerado.

falla) considerado.

Desde el año 2005 las especificaciones AISC Desde el año 2005 las especificaciones AISC (AISC, 2005a y 2005b) incorporaron un formato (AISC, 2005a y 2005b) incorporaron un formato unifi-cado en el que se incluye en forma simultánea ambos cado en el que se incluye en forma simultánea ambos métodos: LFRD y ASD. No obstante ello se mantiene métodos: LFRD y ASD. No obstante ello se mantiene el concepto de verificación estados límites propios del el concepto de verificación estados límites propios del método LRFD.

método LRFD. 1.3.

1.3. RIESGO SÍSMICO RIESGO SÍSMICO E INGENIERÍA E INGENIERÍA SISMO- SISMO-RRESISTENTE

RRESISTENTE

La humanidad ha experimentado a lo largo de su La humanidad ha experimentado a lo largo de su histo-ria el efecto

ria el efecto destructivo de los destructivo de los terremotos. terremotos. En el sigloEn el siglo XX, estas catástrofes naturales han ocasionado una XX, estas catástrofes naturales han ocasionado una media anual del orden de 14.000 muertos, por encima media anual del orden de 14.000 muertos, por encima de otros desastres como ciclones, huracanes, de otros desastres como ciclones, huracanes, inunda-ciones, avalanchas y erupciones volcánicas (Kovach, ciones, avalanchas y erupciones volcánicas (Kovach, 1995). Adicionalmente, originan cuantiosas pérdidas 1995). Adicionalmente, originan cuantiosas pérdidas económicas como resultado del daño en las obras de económicas como resultado del daño en las obras de infraestructura pública y construcciones privadas, lo infraestructura pública y construcciones privadas, lo cual impacta negativamente en el desarrollo de las cual impacta negativamente en el desarrollo de las zonas afectadas. Latinoamérica no es ajena a esta zonas afectadas. Latinoamérica no es ajena a esta situa-ción y muchos de sus países han sufrido el efecto ción y muchos de sus países han sufrido el efecto des-bastador de estos eventos.

bastador de estos eventos.

En el año 1910 la Sociedad Sismológica de En el año 1910 la Sociedad Sismológica de Améri-ca identificó los tres aspectos principales del problema ca identificó los tres aspectos principales del problema sísmico: el terremoto en sí mismo (cuándo, dónde y sísmico: el terremoto en sí mismo (cuándo, dónde y cómo ocurren los sismos), el movimiento del terreno cómo ocurren los sismos), el movimiento del terreno asociado y su efecto sobre las construcciones asociado y su efecto sobre las construcciones (McGui-re, 2004). Los dos primeros aspectos representan la re, 2004). Los dos primeros aspectos representan la peligrosidad o amenaza sísmica de un determinado peligrosidad o amenaza sísmica de un determinado lugar, mientras que el tercer aspecto se vincula la lugar, mientras que el tercer aspecto se vincula la vul-nerabilidad. Ésta puede definirse como la nerabilidad. Ésta puede definirse como la susceptibili-dad o predisposición de las construcciones a sufrir dad o predisposición de las construcciones a sufrir daño ante la ocurrencia de fenómenos desestabilizantes daño ante la ocurrencia de fenómenos desestabilizantes de origen natural o antropogénico. A partir de de origen natural o antropogénico. A partir de conside- conside-raciones holísticas, algunos autores amplían el raciones holísticas, algunos autores amplían el concep-to de vulnerabilidad considerando no sólo las obras o to de vulnerabilidad considerando no sólo las obras o construcciones sino toda la comunidad.

construcciones sino toda la comunidad.

El riesgo sísmico, en términos generales, puede El riesgo sísmico, en términos generales, puede in-terpretarse como una medida de las pérdidas terpretarse como una medida de las pérdidas potencia-les (económicas, sociapotencia-les, ambientapotencia-les, etc.) que les (económicas, sociales, ambientales, etc.) que pue-den originar los sismos un periodo de tiempo den originar los sismos un periodo de tiempo especifi-cado.

cado. Desde un punDesde un punto de vista máto de vista más técnico, el riesgos técnico, el riesgo sísmico surge como resultado de la interacción de dos sísmico surge como resultado de la interacción de dos variables principales: la amenaza sísmica y la variables principales: la amenaza sísmica y la

vulnera-bilidad (para más información sobre el tema consultar bilidad (para más información sobre el tema consultar el trabajo de Carreño et al, 2

el trabajo de Carreño et al, 2005). De ahí la importancia005). De ahí la importancia de no confundir amenaza y riesgo, como muchas veces de no confundir amenaza y riesgo, como muchas veces ocurres en la práctica. En resumen, la amenaza sísmica ocurres en la práctica. En resumen, la amenaza sísmica describe el potencial que presenta el fenómeno, por describe el potencial que presenta el fenómeno, por ejemplo en términos de sacudimiento,

ejemplo en términos de sacudimiento, y que obviamen-y que obviamen-te puede resultar en consecuencias desfavorables para te puede resultar en consecuencias desfavorables para la sociedad y sus obras de infraestructura. El riesgo la sociedad y sus obras de infraestructura. El riesgo sísmico cuantifica la probabilidad de ocurrencia de esas sísmico cuantifica la probabilidad de ocurrencia de esas consecuencias.

consecuencias.

No es posible actualmente modificar la amenaza No es posible actualmente modificar la amenaza sísmica, pero la ingeniería sí dispone de soluciones sísmica, pero la ingeniería sí dispone de soluciones para reducir la vulnerabilidad de las construcciones, y para reducir la vulnerabilidad de las construcciones, y por ende el riesgo sísmico. La experiencia recogida a lo por ende el riesgo sísmico. La experiencia recogida a lo largo de décadas indica, sin lugar a dudas, que el daño largo de décadas indica, sin lugar a dudas, que el daño producido por los sismos puede controlarse y reducirse producido por los sismos puede controlarse y reducirse a niveles aceptables mediante medidas sistemáticas de a niveles aceptables mediante medidas sistemáticas de prevención. La formulación de estas medidas debe prevención. La formulación de estas medidas debe realizarse en forma integral, con criterio realizarse en forma integral, con criterio multidiscipli-nario e incluyendo no solo aspectos ingenieriles, sino nario e incluyendo no solo aspectos ingenieriles, sino también consideraciones sociales, educacionales, de también consideraciones sociales, educacionales, de manejo de emergencia, etc. No obstante ello, es obvio manejo de emergencia, etc. No obstante ello, es obvio que uno de los aspectos claves para asegurar el éxito de que uno de los aspectos claves para asegurar el éxito de este proceso se vincula con la seguridad estructural de este proceso se vincula con la seguridad estructural de las construcciones sismorresistentes.

las construcciones sismorresistentes.

La ingeniería estructural sismorresistente es una La ingeniería estructural sismorresistente es una disciplina relativamente nueva y resulta difícil indicar disciplina relativamente nueva y resulta difícil indicar con precisión cuándo

con precisión cuándo y dónde se oy dónde se originó. riginó. Lo cierto esLo cierto es que surgió como una necesidad imperiosa para que surgió como una necesidad imperiosa para contro-lar el e

lar el efecto de fecto de los sismos. los sismos. Los terremotos Los terremotos de Sande San Francisco, EEUU, en 1906, y de Mesina, Italia, en Francisco, EEUU, en 1906, y de Mesina, Italia, en 1908, pueden considerarse como dos hechos

1908, pueden considerarse como dos hechos claves queclaves que mostraron la vulnerabilidad de los centros urbanos mostraron la vulnerabilidad de los centros urbanos ubicados en zonas sísmicas y originaron un cambio ubicados en zonas sísmicas y originaron un cambio significativo en los criterios de cálculo de la época. significativo en los criterios de cálculo de la época. Como resultado de ello, y teniendo en cuenta las Como resultado de ello, y teniendo en cuenta las ob-servaciones realizadas, se propuso considerar una servaciones realizadas, se propuso considerar una fuer-za estática horizontal para representar el efecto sísmico, za estática horizontal para representar el efecto sísmico, cuyo valor se estimaba como un 10% del peso de la cuyo valor se estimaba como un 10% del peso de la construcción.

construcción. De esta forma De esta forma se trataba dse trataba de representar,e representar, en forma simplificada, pero racional, la naturaleza en forma simplificada, pero racional, la naturaleza dinámica del problema y los efectos inerciales dinámica del problema y los efectos inerciales produci-dos por la vibración sísmica sobre la masa de la dos por la vibración sísmica sobre la masa de la cons-trucción. Posteriormente, la experiencia recogida trucción. Posteriormente, la experiencia recogida inin situ

situ tras la ocurrencia de terremotos, la investigacióntras la ocurrencia de terremotos, la investigación

analítica y experimental y el desarrollo de reglamentos analítica y experimental y el desarrollo de reglamentos de diseño sismorresistente han contribuido para un de diseño sismorresistente han contribuido para un avance continuo y significativo durante los últimos 100 avance continuo y significativo durante los últimos 100 años.

años.

En la actualidad la ingeniería sismorresistente En la actualidad la ingeniería sismorresistente dis-pone de soluciones adecuadas que, mediante el uso de pone de soluciones adecuadas que, mediante el uso de distintos materiales estructurales, sistemas distintos materiales estructurales, sistemas constructi-vos, dispositivos innovadores para el control de vos, dispositivos innovadores para el control de vibra-ciones, criterios de diseño y métodos de análisis ciones, criterios de diseño y métodos de análisis con-fiables, permiten reducir el riesgo sísmico.

fiables, permiten reducir el riesgo sísmico.

Sin embargo la reducción del riesgo sísmico no se Sin embargo la reducción del riesgo sísmico no se ha alcanzado en forma uniforme a escala mundial. Ello ha alcanzado en forma uniforme a escala mundial. Ello se debe a distintas razones, algunas de las

se debe a distintas razones, algunas de las cuales no soncuales no son de carácter técnico o ingenieril. Es por ello que uno de de carácter técnico o ingenieril. Es por ello que uno de

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los mayores desafíos, particularmente en los mayores desafíos, particularmente en Latinoaméri-ca, es lograr la implementación práctica de las ca, es lograr la implementación práctica de las solucio-nes que la ingeniería sismorresistente ha desarrollado nes que la ingeniería sismorresistente ha desarrollado tanto para construcciones nuevas como para la tanto para construcciones nuevas como para la rehabili-tación de estructuras existentes que no cumplen con los tación de estructuras existentes que no cumplen con los niveles de seguridad requeridos en la actualidad. Uno niveles de seguridad requeridos en la actualidad. Uno de los problemas que se observa reiteradamente en de los problemas que se observa reiteradamente en muchos lugares afectados por terremotos es la muchos lugares afectados por terremotos es la discre-pancia entre los criterios de diseño y la estructura pancia entre los criterios de diseño y la estructura real-mente construida. Por desconocimiento, negligencia o mente construida. Por desconocimiento, negligencia o razones de costo, se realizan modificaciones en obra razones de costo, se realizan modificaciones en obra que luego conducen a daño o colapso de los que luego conducen a daño o colapso de los componen-tes estructurales.

tes estructurales. 1.4.

1.4. ESTRUCTURAS DÚCTILES ESTRUCTURAS DÚCTILES DE ACERODE ACERO 1.4.1.

1.4.1. El acero El acero como material como material estructuralestructural

El acero de uso estructural es un material de El acero de uso estructural es un material de fabrica-ción industrializada, lo cual asegura un adecuado ción industrializada, lo cual asegura un adecuado con-trol de calidad. Este material se caracteriza por una trol de calidad. Este material se caracteriza por una elevada resistencia, rigidez y ductilidad (esto es elevada resistencia, rigidez y ductilidad (esto es capa-cidad de soportar deformaciones plásticas sin disminuir cidad de soportar deformaciones plásticas sin disminuir su capacidad resistente), por cual su uso es muy su capacidad resistente), por cual su uso es muy reco-mendable para construcciones sismorresistentes. mendable para construcciones sismorresistentes.

En el diseño y verificación de componentes En el diseño y verificación de componentes estruc-turales de acero, uno de los parámetros mecánicos más turales de acero, uno de los parámetros mecánicos más importantes es la tensión mínima de fluencia, F importantes es la tensión mínima de fluencia, Fyy, Adi-, Adi-cionalmente, en algunos estados límite vinculados con cionalmente, en algunos estados límite vinculados con la fractura se aplica la resistencia de tracción mínima, la fractura se aplica la resistencia de tracción mínima, FFuu. Ambos parámetros son propiedades nominales del. Ambos parámetros son propiedades nominales del acero especificado. Los aceros convencionales acero especificado. Los aceros convencionales presen-tan resistencias menores y mayor ductilidad, mientras tan resistencias menores y mayor ductilidad, mientras que los aceros de alta resistencia en general presentan que los aceros de alta resistencia en general presentan una ductilidad reducida (ver Figura 1-1). Esta es la una ductilidad reducida (ver Figura 1-1). Esta es la razón por la cual las especificaciones sísmicas AISC razón por la cual las especificaciones sísmicas AISC 341-05 limitan la tensión mínima de fluencia a 345 341-05 limitan la tensión mínima de fluencia a 345 MPa en componentes donde se espera que se desarrolle MPa en componentes donde se espera que se desarrolle comportamiento inelástico. Para el caso de estructuras comportamiento inelástico. Para el caso de estructuras con ductilidad limitada este límite se incrementa a 380 con ductilidad limitada este límite se incrementa a 380 MPa.

MPa.

Los procedimientos de diseño para algunos Los procedimientos de diseño para algunos siste-mas estructurales se basan en la aplicación del método mas estructurales se basan en la aplicación del método de diseño por capacidad (el cual se presenta con más de diseño por capacidad (el cual se presenta con más detalle en el Capítulo 2 de este documento). Este detalle en el Capítulo 2 de este documento). Este méto-do requiere en ciertos casos estimar en forma realística do requiere en ciertos casos estimar en forma realística la resistencia esperada de los componentes la resistencia esperada de los componentes estructura-les, en lugar de la resistencia de diseño obtenida partir les, en lugar de la resistencia de diseño obtenida partir de la tensión de fluencia mínima F

de la tensión de fluencia mínima Fyyo de la resistenciao de la resistencia de tracción, F

de tracción, Fuu. Para cuantificar el incremento de la. Para cuantificar el incremento de la resistencia real o esperada de los componentes resistencia real o esperada de los componentes estruc-turales, en relación a la r

turales, en relación a la resistencia nominal, se define elesistencia nominal, se define el factor R

factor Ryy como la relación entre la tensión de fluenciacomo la relación entre la tensión de fluencia esperada y la tensión mínima de fluencia, F

esperada y la tensión mínima de fluencia, Fyy. Con igual. Con igual criterio, para el caso de fractura se define el factor R criterio, para el caso de fractura se define el factor Rtt como la relación entre la resistencia de tracción como la relación entre la resistencia de tracción espera-da y la resistencia F

da y la resistencia Fuu. Estos dos factores, que cuantifi-. Estos dos factores, que cuantifi-can la sobrerresistencia del material, deben can la sobrerresistencia del material, deben determinar-se estadísticamente a partir de información se estadísticamente a partir de información

experimen-tal obtenida del ensayo de probetas de acero, por lo tal obtenida del ensayo de probetas de acero, por lo cual sus valores podrían cambiar de un país a otro. cual sus valores podrían cambiar de un país a otro. Para el caso de los aceros usados en Estados Unidos, Para el caso de los aceros usados en Estados Unidos, los cuales se fabrican bajo normas ASTM, el factor R los cuales se fabrican bajo normas ASTM, el factor Ryy varía entre 1.1 y 1.6, y el factor R

varía entre 1.1 y 1.6, y el factor Ruuvaría entre 1.1 y 1.3,varía entre 1.1 y 1.3, dependiendo del tipo de acero y de la forma del dependiendo del tipo de acero y de la forma del com-ponente estructural (planchuelas, tubos o perfiles). ponente estructural (planchuelas, tubos o perfiles).

0 0 100 100 200 200 300 300 400 400 500 500 600 600 700 700 800 800 900 900 0 0 00..005 5 00..1 1 00..115 5 0..2 02 00..225 5 00..3 3 00..3355 Deformación (mm/mm) Deformación (mm/mm) T T e e n n s s i i ó ó n n ( ( M M P P a a ) ) A514 A514 A572 A572 A36 A36

Fig. 1-1. Curvas tensión-deformación para tres aceros Fig. 1-1. Curvas tensión-deformación para tres aceros

ASTM. ASTM.

Cuando se emplean perfiles pesados, esto es con Cuando se emplean perfiles pesados, esto es con espesores iguales o mayores a 38mm, las espesores iguales o mayores a 38mm, las especifica-ciones sísmicas requieren que se realicen ensayos de ciones sísmicas requieren que se realicen ensayos de Charpy sobre probetas con muesca en V (

Charpy sobre probetas con muesca en V (Charpy V-Charpy V-notch test

notch test ), a los efectos de verificar que la energía), a los efectos de verificar que la energía

absorbida en el

absorbida en el impacto sea mayor que de impacto sea mayor que de 27 J a 2127 J a 21oo_C._C. Si bien las ventajas del acero como material Si bien las ventajas del acero como material estruc-tural son significativas, es importante también conocer tural son significativas, es importante también conocer sus limitaciones, de modo de poder contrarrestar sus sus limitaciones, de modo de poder contrarrestar sus efectos negativos. El acero usualmente se considera efectos negativos. El acero usualmente se considera como un material isotrópico, sin embargo, los datos como un material isotrópico, sin embargo, los datos experimentales indican que puede exhibir efectos de experimentales indican que puede exhibir efectos de anisotropía en términos de resistencia y ductilidad. Ello anisotropía en términos de resistencia y ductilidad. Ello se debe a la presencia elementos no-metálicos o se debe a la presencia elementos no-metálicos o inclu-siones en la constitución del acero, los cuales son siones en la constitución del acero, los cuales son apla-nados durante el proceso de laminación. Estas nados durante el proceso de laminación. Estas inclu-siones actúan como micro-fisuras planas que debilitan siones actúan como micro-fisuras planas que debilitan el material, particularmente cuando se somete a el material, particularmente cuando se somete a trac-ción en la directrac-ción perpendicular a la que fue ción en la dirección perpendicular a la que fue lamina-do. Este fenómeno se conoce como desgarramiento do. Este fenómeno se conoce como desgarramiento laminar (

laminar (lamellar tearinglamellar tearing)y afortunadamente no es)y afortunadamente no es

significativo, salvo en secciones con placas gruesas o significativo, salvo en secciones con placas gruesas o perfiles pesados donde además se generan fuertes perfiles pesados donde además se generan fuertes res-tricciones de deformación por soldadura. En la tricciones de deformación por soldadura. En la actuali-dad el problema del desgarramiento laminar ha sido dad el problema del desgarramiento laminar ha sido controlado mediante la reducción del contenido de controlado mediante la reducción del contenido de inclusiones y adecuados detalles de uniones soldadas. inclusiones y adecuados detalles de uniones soldadas. Sin embargo, éste puede ser un aspecto importante a Sin embargo, éste puede ser un aspecto importante a considerar en la rehabilitación de estructuras existentes, considerar en la rehabilitación de estructuras existentes, construidas cuando el fenómeno del desgarramiento construidas cuando el fenómeno del desgarramiento laminar no se c

laminar no se conocían adecuadamente.onocían adecuadamente.

Otra característica inconveniente del acero se Otra característica inconveniente del acero se rela-ciona con el fenómeno de fatiga, por el cual se produce ciona con el fenómeno de fatiga, por el cual se produce

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la falla prematura del material bajo la repetición de la falla prematura del material bajo la repetición de ciclos de carga. Ello es consecuencia de la propagación ciclos de carga. Ello es consecuencia de la propagación de fisuras iniciadas en imperfecciones o dislocaciones de fisuras iniciadas en imperfecciones o dislocaciones en la estructura cristalina del material. La información en la estructura cristalina del material. La información experimental disponible indica que deben considerarse experimental disponible indica que deben considerarse dos casos o situaciones diferentes: fatiga de alto y bajo dos casos o situaciones diferentes: fatiga de alto y bajo ciclaje.

ciclaje.

La fatiga de alto ciclaje ocurre por la repetición de La fatiga de alto ciclaje ocurre por la repetición de una gran cantidad de ciclos de carga y la falla se una gran cantidad de ciclos de carga y la falla se pro-duce por fractura a un nivel de tensiones menor que la duce por fractura a un nivel de tensiones menor que la resistencia a tracción e incluso menor que tensión de resistencia a tracción e incluso menor que tensión de fluencia, obtenida del ensayo monotónico de tracción. fluencia, obtenida del ensayo monotónico de tracción. Este fenómeno puede afectar puentes sometidos a la Este fenómeno puede afectar puentes sometidos a la acción variable del tránsito vehicular, puentes grúa, acción variable del tránsito vehicular, puentes grúa, estructuras

estructuras off-shoreoff-shore, componentes de máquinas, etc., componentes de máquinas, etc.

En el caso de la fatiga de bajo ciclaje, la fractura se En el caso de la fatiga de bajo ciclaje, la fractura se produce luego de la repetición de un número reducido produce luego de la repetición de un número reducido de ciclos en los que se han desarrollado deformaciones de ciclos en los que se han desarrollado deformaciones plásticas. La falla ocurre un nivel de deformaciones plásticas. La falla ocurre un nivel de deformaciones menor que la deformación última del material obtenida menor que la deformación última del material obtenida del ensayo monotónico de tracción. Es importante del ensayo monotónico de tracción. Es importante resaltar que evaluación experimental de la resistencia a resaltar que evaluación experimental de la resistencia a fatiga de bajo ciclaje obtenida con probetas puede ser fatiga de bajo ciclaje obtenida con probetas puede ser muy distinta de la que surge al ensayar componentes muy distinta de la que surge al ensayar componentes estructurales completos. Esta diferencia se origina en la estructurales completos. Esta diferencia se origina en la significativa influencia que tienen las deformaciones significativa influencia que tienen las deformaciones pláticas resultantes de la ocurrencia de pandeo local. El pláticas resultantes de la ocurrencia de pandeo local. El efecto de fatiga de bajo ciclaje es un aspecto a efecto de fatiga de bajo ciclaje es un aspecto a conside-rar en el diseño sismorresistente, debido a la naturaleza rar en el diseño sismorresistente, debido a la naturaleza dinámica del terremoto y a las hipótesis de diseño que dinámica del terremoto y a las hipótesis de diseño que usualmente consideran el comportamiento inelástico de usualmente consideran el comportamiento inelástico de la estructura.

la estructura.

Finalmente, debe recordarse que la ductilidad del Finalmente, debe recordarse que la ductilidad del acero puede verse afectada por otros efectos o factores, acero puede verse afectada por otros efectos o factores, tales como la temperatura, los problemas relacionados tales como la temperatura, los problemas relacionados con la soldadura (calentamiento-enfriamiento, con la soldadura (calentamiento-enfriamiento, fragili-zación por hidrógeno) y las técnicas de fabricación zación por hidrógeno) y las técnicas de fabricación (corte, perforación ,etc.) La discusión detallada de estos (corte, perforación ,etc.) La discusión detallada de estos aspectos se encuentra fuera del alcance de esta aspectos se encuentra fuera del alcance de esta publica-ción (el texto de Bruneau et al., 1997, presenta una ción (el texto de Bruneau et al., 1997, presenta una completa discusión de estos temas). La presencia de completa discusión de estos temas). La presencia de tensiones residuales, inducidas tanto en el proceso de tensiones residuales, inducidas tanto en el proceso de laminación como en las zonas afectadas por la laminación como en las zonas afectadas por la soldadu-ra, no tiene un efecto significativo en la ductilidad del ra, no tiene un efecto significativo en la ductilidad del material. Estas tensiones, que representan un sistema material. Estas tensiones, que representan un sistema auto-equilibrado, se consideran en el diseño mediante auto-equilibrado, se consideran en el diseño mediante un criterio práctico simplificado que consiste en r un criterio práctico simplificado que consiste en reducireducir el límite de fluencia.

el límite de fluencia. 1.4.2.

1.4.2. Aspectos generales Aspectos generales del comportamiento es-del comportamiento es-tructural

tructural

La estructura de acero es un sistema formado por La estructura de acero es un sistema formado por miembros vinculados entre sí mediante conexiones, de miembros vinculados entre sí mediante conexiones, de modo que todo el conjunto cumpla con las condiciones modo que todo el conjunto cumpla con las condiciones de estabilidad, resistencia y rigidez requeridas para un de estabilidad, resistencia y rigidez requeridas para un adecuado desempeño. Las ventajas del acero, en adecuado desempeño. Las ventajas del acero, en rela-ción a su adecuada resistencia a tracrela-ción y ductilidad, ción a su adecuada resistencia a tracción y ductilidad, son válidas también para todo el sistema estructural. El son válidas también para todo el sistema estructural. El

mayor desafío en el diseño de estructuras de acero mayor desafío en el diseño de estructuras de acero consiste en limitar o controlar los problemas de consiste en limitar o controlar los problemas de inesta-bilidad en miembros o zonas localizadas sometidas a bilidad en miembros o zonas localizadas sometidas a compresión. Puede definirse la condición de estabilidad compresión. Puede definirse la condición de estabilidad como la capacidad de las barras, placas y elementos de como la capacidad de las barras, placas y elementos de acero sometidos a compresión de mantener su posición acero sometidos a compresión de mantener su posición inicial de equilibrio y de soportar las cargas que los inicial de equilibrio y de soportar las cargas que los solicitan. El estudio detallado de los fenómenos de solicitan. El estudio detallado de los fenómenos de inestabilidad puede encontrarse en la bibliografía inestabilidad puede encontrarse en la bibliografía espe-cializada (una de las referencias más completa es cializada (una de las referencias más completa es Ga-lambos, 1998).

lambos, 1998).

Los fenómenos de inestabilidad pueden agruparse Los fenómenos de inestabilidad pueden agruparse en dos tipos principales. El primero comprende en dos tipos principales. El primero comprende aque-llos fenómenos de inestabilidad que abarcan todo o llos fenómenos de inestabilidad que abarcan todo o gran parte de un

gran parte de un miembro o barra miembro o barra de acero, por de acero, por lo quelo que se denomina pandeo global. En este grupo se incluyen se denomina pandeo global. En este grupo se incluyen varios estados límites, como el pandeo flexional, varios estados límites, como el pandeo flexional, tor-sional y flexo-tortor-sional en barras comprimidas y el sional y flexo-torsional en barras comprimidas y el pandeo lateral-torsional en barras c

pandeo lateral-torsional en barras comprimidas.omprimidas.

El segundo grupo de problemas de inestabilidad se El segundo grupo de problemas de inestabilidad se relaciona con el pandeo localizado de las placas o relaciona con el pandeo localizado de las placas o componentes de las secciones metálicas, y se denomina componentes de las secciones metálicas, y se denomina pandeo local o abollamiento.

pandeo local o abollamiento.

Con el objeto de ilustrar estos conceptos, la Figura Con el objeto de ilustrar estos conceptos, la Figura 1-2 muestra el caso de pandeo global de una riostra 1-2 muestra el caso de pandeo global de una riostra debido a los esfuerzos de compresión generados por la debido a los esfuerzos de compresión generados por la acción del sismo de Hyogo-ken Nanbu (Kobe), Japón, acción del sismo de Hyogo-ken Nanbu (Kobe), Japón, en 1995, mientras que las Figuras 1-3 y 1-4 presentan en 1995, mientras que las Figuras 1-3 y 1-4 presentan ejemplos de pandeo local o abollamiento ejemplos de pandeo local o abollamiento correspon-dientes a ensayos de laboratorio para dos tipos de dientes a ensayos de laboratorio para dos tipos de sec-ciones.

ciones.

Como se mencionó previamente, el pandeo Como se mencionó previamente, el pandeo lateral-torsional es un problema de inestabilidad que puede torsional es un problema de inestabilidad que puede afectar a las barras flexionadas, caso típico de las vigas afectar a las barras flexionadas, caso típico de las vigas en estructuras de pórticos. Este problema se origina por en estructuras de pórticos. Este problema se origina por el pandeo lateral de la parte comprimida de la viga, que el pandeo lateral de la parte comprimida de la viga, que es parcialmente restringido por la parte traccionada es parcialmente restringido por la parte traccionada (que actúa como un elemento estabilizante). En (que actúa como un elemento estabilizante). En edifi-cios con entrepisos rígidos, esto es con distintos tipos cios con entrepisos rígidos, esto es con distintos tipos de losas de hormigón armado, el ala superior de las de losas de hormigón armado, el ala superior de las vigas usualmente se encuentra impedida de desplazarse vigas usualmente se encuentra impedida de desplazarse lateralmente. El ala inferior de la viga puede también lateralmente. El ala inferior de la viga puede también estar sometida a compresión, por ejemplo por la acción estar sometida a compresión, por ejemplo por la acción de momentos flectores inducidos por sismos. En esos de momentos flectores inducidos por sismos. En esos casos es necesario arriostrar dicha ala para impedir el casos es necesario arriostrar dicha ala para impedir el desplazamiento lateral en ciertos puntos y controlar así desplazamiento lateral en ciertos puntos y controlar así la ocurrencia del pandeo lateral-torsional.