. Pórticos con perfiles de lámina

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Pórticos con perfiles de lámina - Respuesta sísmica
Gabriel Valencia Clement
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Introducción
CONSIDERACIONES
SOBRE EL DISEÑO
SÍSMICO DE PÓRTICOS
A MOMENTO
CONSTRUIDOS CON
PERFILES DE LÁMINA
DELGADA
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
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PRM con perfiles de lámina
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Introducción
Hay códigos para el diseño de los miembros, en USA, el
American Iron and Steel Institute, AISI, publica la North
American Specification for the Design of Cold-Formed
Steel Structural Members
NSR tiene un capítulo dedicado al tema,
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PRM con perfiles de lámina
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Pórticos con perfiles de lámina - Respuesta sísmica
Gabriel Valencia Clement
Introducción
Introducción
Pero en cuestiones de diseño sísmico…
Siempre que sean Categorías B, C o D, y en ciertos casos
D o E.
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),
.
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
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PRM con perfiles de lámina
Introducción
Introducción
Pero AISI-Lateral (AISI, 2004), fija requisitos para
estructuras con
Por lo tanto…
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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.
- muros de corte (metálicos)
- paneles con diagonales y
- diafragmas
Pero no para PRMs
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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,
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PRM con perfiles de lámina
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Pórticos con perfiles de lámina - Respuesta sísmica
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Introducción
2. Conexiones Estudiadas
Por esta razón
una investigación sobre
el
comportamiento de las conexiones viga-columna de
miembros de lamina delgada,
Hasta la fecha se han ensayado 28 especímenes en
escala 1:1
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
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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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Detalle de la fabricación
2. Conexiones Estudiadas
Tesis de maestría Ing Sergio Villar (Vilar – Valencia, 2007)
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Acciones Sísmicas en Estructuras de Acero
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Pórticos con perfiles de lámina - Respuesta sísmica
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2. Conexiones Estudiadas
3. Comportamiento Teórico
Se consideraron dos aspectos muy importantes desde
el punto de vista de la respuesta sísmica del edificio:
La resistencia teórica de los elementos se evaluó
considerando la resistencia al post-pandeo.
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.
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Como se emplearon relaciones ancho/espesor altas, en
algunos casos, Mn << Mp.
Es decir, la resistencia se calcula con las propiedades de la
sección efectiva
PRM con perfiles de lámina
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3. Comportamiento Teórico
3. Comportamiento Teórico
AISI acepta que se puede considerar cierta reserva
inelástica de resistencia, si se cumplen:
En todo caso,
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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Mn ≤ 1.25 Se Fy
Los elementos de la conexión:
- Placas,
- Atiesadores
- Platinas de asiento
Se diseñaron para σ ≤ Fy
- Platinas de cortante
- Soldaduras
- Etc
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Pórticos con perfiles de lámina - Respuesta sísmica
Mediante FEA se han adelantado análisis elásticos e
inelásticos de las conexiones.
Se usan dos softwares de análisis:
- SAP
- ANSYS
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3. Comportamiento Teórico
3. Comportamiento Teórico
Para los análisis
inelásticos se define
la curva σ−ε así:
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Los análisis FEA se realizan con el fin de evaluar hasta
qué punto es posible usar el procedimiento FEA en lugar
de los ensayos (costos, tiempo, logística)
El enmallado
E/30
E
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4. Marco experimental
La tendencia de los códigos actuales con respecto a las
conexiones es
ensayar para conocer su comportamiento
Los ensayos deben contemplar el comportamiento en el
tiempo, por lo que se usan protocolos de carga
estandarizados para hacer comparables los resultados
Se relacionan los desplazamientos del extremo de la viga
con las cargas aplicadas
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PRM con perfiles de lámina
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4. Marco experimental
El Montaje en
laboratorio
El Montaje en el laboratorio
En este extremo se
miden desplazamientos
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4. Marco experimental
4. Marco experimental
Entonces se adoptó un protocolo con énfasis en rango elástico:
Esa relación P-∆ se plantea
en protocolos.
El del AISC establece:
Se usó en los primeros
ensayos, pero
Para conexiones de PLD
en el rango elástico, ese
protocolo no permitía visualizar el comportamiento de la
conexión (por los fenómenos de inestabilidad local)
PRM con perfiles de lámina
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Etapa
Carga
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
N°
Ciclos Deformación
6
0.25 δy
6
0.50 δy
6
0.75 δy
4
1.00 δy
4
1.25 δy
Tasa aplicación de carga = 0.1 mm/s
4
1.50 δy
2
1.75 δy
Para incrementos de esfuerzos en las
2
2.00 δy
aletas comprendidos entre 6 y 30 MPa/s
2
2.25 δy
2
2.50 δy
Que es la tasa recomendada para
2
2.75 δy
ensayos de tensión simple
2
3.00 δy
6
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Pórticos con perfiles de lámina - Respuesta sísmica
Protocolo de carga
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4. Marco experimental
Durante el ensayo
El análisis inelástico ANSYS:
Acciones Sísmicas en Estructuras de Acero
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5. Resultados
Al final del ensayo:
Se hicieron ensayos
- Con carga monotónica
- Con cargas cíclicas
En el de carga monotónica, la carga se aplica en una sola
dirección en forma incremental
Se compararon los resultados con los hallados en los
análisis FEA
Villar – Valencia, 2007
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Pórticos con perfiles de lámina - Respuesta sísmica
Resultado típico del ensayo con carga monotónica
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Carga cíclica
Una gran
degradación
con pocos
ciclos
Pandeo
local
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PRM con perfiles de lámina
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Tipos de fallas
• Grandes deformaciones en la zona de panel
Mientras que perfiles laminados
(con relaciones bajas de
ancho/espesor)
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Pórticos con perfiles de lámina - Respuesta sísmica
Tipos de fallas
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• Desgarramiento de las paredes de la columna cuando se
usa sección I en las vigas
• Pandeo local de las
aletas en compresión
con esfuerzos por
debajo del de fluencia
Villar – Valencia, 2007
• Desgarramiento de las aletas en las zonas de altas
concentraciones de esfuerzos, en los puntos donde
terminan los refuerzos usados en las diferentes
conexiones
• Desgarramiento de las aletas en las zonas de altas
concentraciones de esfuerzos en la unión de la viga y la
columna cuando no hay refuerzos
López – Valencia, 2005
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Pórticos con perfiles de lámina - Respuesta sísmica
• Iniciación del pandeo del alma a una distancia d/2 de la
conexión
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• Pandeo local de la aleta en las vecindades al sitio donde
terminan los diferentes refuerzos estudiados
6. Estimación del coeficiente R:
6. Estimación del coeficiente R:
Se modelaron PRMs de tres pisos.
- Para estimar R se utilizaron la propuesta de Newmark y
Hall (1972) y el método del espectro de capacidad.
Se realizaron análisis de plastificación progresiva (pushover)
.
Las conexiones se modelaron con rigidez definida por las
curvas M-θ determinadas en los ensayos
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Pórticos con perfiles de lámina - Respuesta sísmica
6. Estimación del coeficiente R:
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6. Estimación del coeficiente R:
Considerando la degradación de resistencia y de rigidez,
que limita en gran manera la respuesta de la estructura en
rango inelástico
La aparición de los fenómenos descritos atrás, en la curva
de capacidad como una pérdida de resistencia y de rigidez
lateral,
Se llega a la conclusión de que el valor de
R está entre 1.5 y 1.8.
PRM con perfiles de lámina
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Para pequeños incrementos de carga las deformaciones
crecen considerablemente.
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Degradación
7. Conclusiones
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PRM con perfiles de lámina
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Pórticos con perfiles de lámina - Respuesta sísmica
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
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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)
7. Conclusiones
7. Conclusiones
3. Es muy importante el detallado de las soldaduras,
4. Las vigas armadas con
secciones I compuestas por
perfiles C espalda-espalda,
conectadas a columnas tipo
sección cajón,
comportamientos no
recomendables:
Algunos de los especímenes
ensayados presentaron fallas
locales en los extremos de
soldaduras de corta longitud
aplicadas en la viga, justamente
a partir de la interfaz con la
columna
PRM con perfiles de lámina
.
7. Conclusiones
7. Conclusiones
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es muy baja, y está por
debajo de la resistencia
a la flexión de las vigas
- 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
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Pórticos con perfiles de lámina - Respuesta sísmica
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7. Conclusiones
7. Conclusiones
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
6. PLD
baja capacidad de disipación de energía en
rango inelástico (por fenómenos de inestabilidad local)
No obstante, no se detecta la degradación de la
resistencia en ciclos posteriores a los iniciales,
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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.
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7. Conclusiones
Mención Especial
7. Para el diseño de PRMs, se recomienda usar un valor de
R para diseño
entre 1.2 y 1.5,
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
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
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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!
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