ANÁLISIS NO LINEAL DE UN PÓRTICO DE ACERO NO ARRIOSTRADO EN BASE A CONEXIONES

POSTENSADAS VIGA- COLUMNA

Nombre: Esteban Vargas

Profesor: Joaquín Valenzuela

Fecha: 13 de Septiembre de 2013 Esteban Vargas

Profesor: Mauricio Pinto

Fecha: 24 de

ANÁLISIS NO LINEAL DE UN PÓRTICO DE ACERO NO ARRIOSTRADO EN BASE A CONEXIONES POSTENSADAS VIGA- COLUMNA El diseño sismorresistente ha evolucionando con cada nuevo terremoto, cambiando sus paradigmas y los objetivos de diseño, para prevenir que los efectos negativos observados en las estructuras existentes vuelvan a ocurrir en el futuro.

Originalmente, el objetivo principal del diseño sismorresistente, consistía en proveer suficiente resistencia a las estructuras de tal modo de poder soportar el terremoto más grande conocido hasta el momento. Luego, se reconoció que no era necesario diseñar las estructuras para fuerzas tan potentes, si es que se permitía que desarrollaran deformaciones inelásticas controladas, es decir daño, con lo que se acuñó el concepto de ductilidad (Beltrán y herrera, 2006).

Los pórticos no arriostrados, o pórticos a momentos, están formados por distintos componentes que se vinculan entre sí para formar una estructura resistente; usualmente los componentes principales son rectilíneos y se disponen en posición vertical (columnas) y horizontal (vigas). Desde el punto de vista estructural, y a efectos del diseño, se deben considerar los siguientes componentes; vigas, columnas, conexiones viga-columna, panel nodal (o zona panel), empalmes y base de columnas. Los cuales se detallan en la Fig.1:

La resistencia lateral de estas estructuras reside fundamentalmente en la capacidad a flexión y corte de sus elementos y, cuya capacidad de deformación sísmica queda determinada por la capacidad de rotación de las uniones en el rango post - elástico que se desarrolla después de que se ha alcanzado la resistencia máxima en una sección determinada.

Es importante destacar que la norma AISC-2010 incluye en forma explícita la necesidad de realizar un “Diseño por Capacidad”, diseño que se desarrolló originalmente en Nueva

Fig.1

Zelanda para estructuras de hormigón armado. En la actualidad, es aceptado internacionalmente y sus principios se aplican también al diseño de estructuras de acero.

El diseño por capacidad se basa en la formulación de una jerarquía en la resistencia de los componentes que constituyen el sistema estructural para permitir la formación de un mecanismo de deformación plástica (o mecanismo de colapso), evitando así la ocurrencia de fallas frágiles. Para ello, se seleccionan ciertos componentes o zonas de la estructura sismorresistente, los cuales son diseñados y detallados para disipar energía en forma dúctil y estable. En estas zonas críticas, denominadas comúnmente “rótulas plásticas”, el sismo induce deformaciones plásticas por flexión y se evitan otros mecanismos de falla mediante un incremento de la resistencia asignada (por ejemplo fallas de corte en los miembros de hormigón armado o problemas de pandeo local en secciones de acero). Todos los demás componentes se protegen de la posibilidad de falla asignando una resistencia mayor que la correspondiente al desarrollo de la máxima resistencia esperada en las potenciales regiones de plastificación (Paulay y Priestley, 1992).

El comportamiento deseado de una conexión se consigue dimensionando los elementos viga, columna, conectores, soldadura, etc., de manera de garantizar que, la formación de una eventual rótula plástica ocurra en la viga a una cierta distancia respecto de la cara de la columna. Para esto, además de la condición viga débil-columna fuerte, debe dotarse la conexión de una mayor resistencia que la viga, lo cual puede conseguirse de dos maneras:

Reforzar localmente la sección de la viga en la conexión, de modo tal que dicha sección sea efectivamente más resistente que el resto de la viga, o

Debilitar la sección de viga en una región determinada en donde se desea privilegiar la formación de una rótula plástica.

La ocurrencia de los sismos de Northridge en California (1994) y Kobe en Japón (1995) puso de manifiesto el comportamiento frágil de las uniones de los pórticos de acero. A consecuencia de esto, la Federal Emergency Management Agency (FEMA, 2000a), auspició el proyecto SAC para estudiar las fallas en uniones de estructuras de acero. El programa de investigación reunió a las universidades de mayor experiencia en investigación sismorresistente, se realizaron numerosos ensayos y se actualizaron las Disposiciones Sismorresistentes para el diseño de edificios en acero. Se introdujo las uniones precalificadas en la normativa, de manera de garantizar las características de ductilidad que se impone a los distintos tipos de marcos de acero. Esto generó varias modalidades de conexión de momento desarrolladas en diferentes universidades norteamericanas, que

califican para una determinada función, y además estableció protocolos de ensayos para desarrollar nuevas conexiones calificadas.

El documento FEMA - 350 (2000) es el resultado de las investigaciones antes mencionadas que dan solución al problema de las fallas que se presentaron en las conexiones soldadas después del sismo de Northridge en el año 1994. En él se establecen una serie de recomendaciones de diseño en lo que concierne a las uniones viga-columna. De estas recomendaciones cabe destacar:

Los edificios de acero estructurados en base a marcos rígidos deben ser diseñados bajo el criterio viga débil-columna fuerte, con el fin de evitar las fallas de piso.

La zona de panel debe ser dimensionada de forma tal que la fluencia al corte de esta zona ocurra en forma simultánea con la fluencia a flexión de las vigas, o bien que la fluencia se concentre exclusivamente en las vigas sin la intervención de la zona panel. Este aspecto es de importancia ya que excesivas deformaciones en la zona panel tiene por consecuencia grandes esfuerzos secundarios en la conexión que impactan negativamente en el desempeño de la conexión.

Las vigas y columnas que proveen la resistencia lateral de la estructura deben cumplir con los requerimientos de secciones compactas, en lo que se refiere a la esbeltez local del alma y del ala.

Cuando se realizan conexiones de momento mediante soldadura, uniendo directamente las alas de la viga al ala de la columna, se recomienda disponer placas de continuidad, en la región proyectada de las alas de la viga dentro de la columna que deben ser soldadas a las alas de la columna.

Dentro de las innovaciones en conexión de los últimos años en pórticos de acero no arriostrados, se encuentran las conexiones postensadas (PT). Este sistema consiste en el uso de cables de acero cuya finalidad consiste en postensar la viga a la columna y proveer de esa forma una conexión de momento, como se ilustra en la Fig.2:

Fig.2

Este sistema estructural persigue dos objetivos principales: el primero es conseguir que la estructura vuelva a su posición original luego de haberse solicitado sísmicamente, es decir, no presente deformaciones laterales remanentes; y el segundo es concentrar el daño en ángulos u otros elementos de sacrificio, que provean la disipación de energía. Estas dos características facilitan el logro de un nivel de desempeño operacional o de ocupación inmediata después de un sismo de mediana o alta intensidad, ya que el edificio se encuentra prácticamente sin daño, excepto por los elementos de sacrificio que pueden ser reemplazados sin interrumpir el funcionamiento de la estructura.

El diseño de la conexión se hace considerando los estados límite o de fallas posibles. Debido a que los cables de acero de alta resistencia no poseen gran ductilidad, las recomendaciones para el diseño de este tipo de conexiones (Garlock et al, 2007) establecen la siguiente secuencia de estados límite que se ilustran en la Fig.3, y se detallan a continuación:

Descompresión: Corresponde al instante en que el momento generado por el sismo supera el nivel de pretensión aplicado inicialmente a la conexión y ésta comienza a abrirse.

Fluencia de elementos secundarios: Corresponde al momento en que los elementos encargados de disipar energía comienzan a fluir.

Fluencia de la viga: Corresponde al momento en que la viga comienza a desarrollar plastificación significativa.

Fluencia de los cables: Corresponde al momento en que los cables alcanzan su tensión de fluencia.

Fractura de los cables: Corresponde al momento en que los cables alcanzan su tensión de rotura.

Fig.3

Inicialmente la conexión se comporta como una unión rígida, hasta que se alcanza el momento de descompresión. Una vez ocurrida la descompresión, la conexión comienza a abrirse y su rigidez se reduce a la rigidez proporcionada por los cables y los elementos secundarios. Al seguir aumentando el momento, se llega al punto en que los elementos secundarios alcanzan la fluencia, con lo que la conexión empieza a disipar energía. Cuando la conexión se descarga debido a que la solicitación ya no está actuando, ésta es elástica y la tensión en los cables se encarga de cerrar la conexión nuevamente, para que la estructura vuelva a su configuración original.

En base a lo anterior, se propone analizar el marco mas desfavorable de un edificio tipo, el cual estará constituido por pórticos de acero no arriostrados en base a conexiones postensadas (PT). Mediante un análisis no lineal, se buscará verificar su diseño determinado si es capaz de mantener su resistencia aún cuando la demanda de rotación plástica sea alta, manteniendo la estabilidad de la estructura hasta un nivel alto de deformaciones, sin colapsar frágilmente. Para esto se debe estudiar y analizar el desempeño de la estructura ante la incertidumbre de cómo seria su comportamiento frente a un sismo de gran intensidad como el pasado terremoto ocurrido el 27 de Febrero de 2010 en Chile y así aventurarnos si es o no posible su utilización en el país, como también que tan factible es que éste sistema estructural pueda desarrollar su máxima capacidad al corte por la capacidad de rotación que posee este tipo de uniones semirrígidas, utilizando como herramienta un software estructural Sap 2000 o ETABS.

Este tipo de uniones diseñada apropiadamente tiene las siguientes ventajas:

No requiere soldadura de campo La conexión es ejecutada con materiales convencionales La conexión tiene una rigidez inicial similar a una conexión soldada o rígida Crea un efecto de auto-centrado sin deformación permanente de la estructura al

descargarlos

En cuanto a los inconvenientes, los principales problemas tienen que ver con la necesidad de permitir la expansión a nivel de las vigas, que ocurre cuando las conexiones se abren luego de la descompresión. Esta expansión requiere un diseño especial de la unión entre el diafragma de piso y las vigas y columnas que resisten las cargas laterales, que involucra utilizar elementos colectores especiales y desvincular el diafragma de las vigas postensadas. Además de cómo evitar la corrosión de los cables y cómo protegerlos efectivamente contra incendios, ya que el funcionamiento de la estructura depende en gran medida de la integridad de los cables (Pedro Rojas C., James M. Ricles y Richard Sause, 2005).

Los estudios existentes son prometedores, pero los autores hacen notar la necesidad de mayores y más amplios estudios que incluyan diferentes configuraciones estructurales y disposición en planta de los marcos resistentes, así como prototipos de diferentes alturas y número de pisos, ya que hasta ahora no ha sido posible su inclusión en códigos de diseño actuales y su aplicación masiva en la práctica profesional.

OBJETIVOS

Objetivo General

Analizar un pórtico de acero no arriostrado en base a conexiones postensadas y verificar su diseño mediante un análisis no lineal.

Objetivos Específicos

1. Efectuar una modelación computacional que permita analizar el pórtico de forma no lineal.

2. Verificar el diseño determinado si es capaz de mantener su resistencia aún cuando la demanda de rotación plástica sea alta.

3. Verificar la factibilidad de que el sistema estructural pueda desarrollar su máxima capacidad al corte por la capacidad de rotación que posee este tipo de uniones semirrígidas.

ALCANCES

El edificio será estructurado en base a marcos de acero con conexiones postensadas en las uniones de viga - columna.

Número de pisos del edificio: 4. Altura entre pisos: Primer piso 4 metros y el resto de los pisos 3 metros. La configuración en plata será la misma en todos los niveles. Zona sísmica 3, que es la zona mas urbanizada del país. Tipo de suelo: tipo C. Para el diseñó se utilizará las combinaciones de carga establecidas en la normativa

chilena. Se condicionará el diseño para satisfacer las condiciones que deben cumplir las

derivas de entrepiso. Se utilizarán perfiles nacionales “IN” y “HN”, cuyas propiedades se encuentran

detalladas “Manual de Diseño para Estructuras de Acero” [ICHA, 2010]. El acero a emplear será de producción nacional calidad A37-24ES.