• Author / Uploaded
• Cristian Danery Torres Jerezano

Citation preview

Determinar fuerzas internas (axiales, cortantes, momentos) y deformaciones de una estructura, sobre la base de: una forma dada de la estructura, del tamaño y propiedades del material usado en los elementos y de las cargas aplicadas.

Selección de la forma, de los materiales y detallado (dimensiones, conexiones y refuerzo) de los componentes que conforman el sistema estructural. Ambas etapas son inseparables, parecería que se empieza por el diseño, ya que es en esta etapa donde se crea y luego se analiza, pero las cosas no terminan ahí, se requiere verificar que las fuerzas encontradas en el análisis, si son soportadas y resistidas con los materiales y dimensiones seleccionadas, por lo tanto volveríamos al diseño, es decir, el proceso es iterativo.

El diseño es un proceso creativo mediante el cual se definen las características de un sistema de manera que cumpla en forma óptima con sus objetivos. El objetivo de un sistema estructural es resistir las fuerzas a las que va a estar sometido, sin colapso o mal comportamiento.

Los principales criterios que son necesarios tomar en cuenta para lograr una estructura sismo-resistente, son: • SIMPLICIDAD Y SIMETRIA: La experiencia ha demostrado repetidamente que las estructuras simples se comportan mejor durante los sismos. • RESISTENCIA Y DUCTILIDAD: Las estructuras deben tener resistencia sísmica adecuada por lo menos en dos direcciones ortogonales o aproximadamente ortogonales, de tal manera que se garantice la estabilidad tanto de la estructura como un todo, como de cada una de sus elementos.

• HIPERESTATICIDAD Y MONOLITISMO: Como concepto general de diseño sismo-resistente, debe indicarse la conveniencia de que las estructuras tengan una disposición hiperestática; ello logra una mayor capacidad resistente. • UNIFORMIDAD Y CONTINUIDAD DE LA ESTRUCTURA: La estructura debe ser continua tanto en planta como en elevación, con elementos que no cambien bruscamente su rigidez, para evitar la concentración de esfuerzos.

• RIGIDEZ LATERAL: Para que una estructura pueda resistir fuerzas horizontales sin tener deformaciones importantes, será necesario proveerla de elementos estructurales que aporten rigidez lateral en sus direcciones principales.

• EXISTENCIA DE LOSAS QUE PERMITEN CONSIDERAR A LA ESTRUCTURA COMO UNA UNIDAD (Diafragma rígido):En los análisis es usual considerar como hipótesis básica la existencia de una losa rígida en su plano, que permite la idealización de la estructura como una unidad ,donde las fuerzas horizontales aplicadas pueden distribuirse en las columnas y placas de acuerdo a su rigidez lateral, manteniendo todas una misma deformación lateral para un determinado nivel.

• ELEMENTOS NO ESTRUCTURALES: Otro aspecto que debe ser tomado en cuenta en una estructuración es la influencia de los elementos secundarios. Si la estructura está conformada básicamente por pórticos, con abundancia de tabiquería, esta no se podrá despreciar en el análisis, pues su rigidez será apreciable.

Forma del edificio en planta • 1. El edificio debe poseer una configuración de elementos estructurales que le confiera resistencia y rigidez a cargas laterales en cualquier dirección. Esto se logra proporcionando sistemas resistentes en dos direcciones ortogonales. • 2. La configuración de los elementos estructurales debe permitir un flujo continuo, regular y eficiente de las fuerzas sísmicas desde el punto en que éstas se generan ( o sea, de todo punto donde haya una masa que produzca fuerzas de inercia ) hasta el terreno. •

•

Hay que evitar las amplificaciones de las vibraciones, las concentraciones de solicitaciones y las vibraciones torsionales que pueden producirse por la distribución irregular de masas o rigideces en planta o e elevación. Para esto la estructura debe ser sencilla, regular, simétrica, continua. Los sistemas estructurales deben disponer de redundancia y de capacidad de deformación inelástica que les permitan disipar la energía introducida por sismos de excepcional intensidad, mediante elevado amortiguamiento inelástico y sin la presencia de fallas frágiles locales y globales.

• 3.4.5.3 Estructuras irregulares • Se consideran estructuras irregulares las siguientes: • (a) Las estructuras irregulares tienen discontinuidades físicas significativas en su configuración o en su sistema resistente a fuerzas laterales. Las características de irregularidad incluyen, pero no están limitadas, a las descritas en las Tablas 3.4-4 y 3.4-5. • (b) Las estructuras que presentan una o más características de las indicadas en la Tabla 3.4-4 deberán diseñarse como si tienen irregularidad vertical. • (c) Las estructuras que presentan una o más características de las indicadas en la Tabla 3.4-4 deberán diseñarse como si tienen irregularidad en planta.

POCO PESO

• Las fuerzas producidas por los sismos son de inercia, que es el producto de la masa por la aceleración, así las • fuerzas de inercia son proporcionales a la masa, por tanto al peso del edificio; por ello debe procurarse que la estructura y los elementos no estructurales tengan el menor peso posible y además sean resistentes. • No se recomiendan voladizos debido a que producen fuerzas de inercia verticales de magnitud apreciable que sumadas a las fuerzas de gravedad llegarían a causar serios problemas.

Hiperestaticidad

Si existe continuidad y monolitismo en un sistema estructural, es decir, que sea hiperestático, entonces mayor será la posibilidad de que, sin convertirse en un mecanismo inestable, se formen articulaciones plásticas, con alta capacidad de absorción de la energía proveniente del sismo. Se evitan también fallas locales serias, debidos a grandes esfuerzos locales engendrados por lo grandes desplazamientos y rotaciones causadas por el sismo presentes en uniones entre vigas y losas, y entre vigas y columnas.

• En estructuras de edificios aporticados es requisito que los miembros horizontales fallen antes que los verticales, permitiendo de esa manera el retraso del colapso total de una estructura. Las vigas y las losas generalmente no fallan aún después de un daño severo en aquellos lugares que se hayan formado las articulaciones plásticas, en cambio las columnas colapsan rápidamente bajo su carga vertical, cuando haya ocurrido aplastamiento del hormigón. Esto conduce a que las vigas peraltadas sobre columnas ligeras, no son apropiadas en regiones sísmicas.

1.3.4.5 Requisitos de configuración 1.3.4.5.1 Generalidades Cada estructura deberá ser designada como estructuralmente regular o irregular. 1.3.4.5.2 Estructuras regulares Las estructuras regulares no tienen discontinuidades físicas significativas en su configuración vertical o en planta, o en su sistema resistente a fuerzas laterales como las características de irregularidad que se describen a continuación.

Es un sistema estructural sin una estructura espacial de soporte de cargas verticales. Los muros de carga o sistemas de arrostramiento proporcionan el soporte a todas o a la mayoría de las cargas por gravedad. La resistencia a las cargas laterales la proporcionan los muros de corte o las estructuras arriostradas.

Es un sistema estructural con una estructura espacial esencialmente completa que proporciona soporte a las cargas por gravedad. La resistencia a las cargas laterales la proporcionan los muros de corte o las estructuras arriostradas que no cumplen con los requisitos de un sistema doble.

Es un sistema estructural con una estructura espacial esencialmente completa que proporciona soporte a las cargas por gravedad. Los pórticos resistentes a momentos proporcionan resistencia a las cargas laterales principalmente por la acción de flexión de sus elementos

Es un sistema estructural con las siguientes características: 1. Estructura espacial esencialmente completa que proporciona apoyo a las cargas por gravedad. 2. La resistencia a las cargas laterales la proporcionan los muros de corte o las estructuras arriostradas y pórticos resistentes a momentos (SMRF, IMRF, MMRWF, o OMRF en acero). Los pórticos resistentes a momentos deben diseñarse para resistir independientemente por lo menos el 25% del esfuerzo cortante basal máximo admisible de diseño. 3. Los dos sistemas deben diseñarse para resistir el esfuerzo cortante basal máximo admisible total de diseño en proporción a sus rigideces relativas considerando la interacción del sistema doble en todos los niveles.

1

Irregularidad torsional, a considerarse cuando los diafragmas no son flexibles Deberá considerarse que existe irregularidad torsional cuando el desplazamiento lateral máximo relativo calculado incluyendo torsión accidental, en un extremo de la estructura transversal a un eje es más que 1.2 veces el promedio de los desplazamientos laterales relativos de piso de los dos extremos de la estructura.

2

Entrantes o salientes La configuración en planta de la estructura y su sistema resistente a fuerzas laterales se considera que contiene entrantes o salientes, cuando las dos proyecciones de la estructura más allá de un entrante o saliente son mayores que el 15% de la dimensión en planta de la estructura en esa dirección.

3 Discontinuidad de diafragma Diafragmas con discontinuidades abruptas o variaciones en la rigidez, incluyendo los que tienen recortes o aberturas mayores que el 50% de toda el área encerrada por el diafragma, o cambios en la rigidez efectiva del diafragma de más del 50% entre dos pisos adyacentes.

4 Desalineamiento fuera del plano Discontinuidades en la trayectoria de una fuerza lateral, tales como el desalineamiento fuera del plano de los elementos verticales.

5 Sistemas no paralelos Los elementos verticales resistentes a cargas laterales no son paralelos o simétricos a los ejes ortogonales principales del sistema resistente a sismos.

1 Irregularidad de rigidez, piso suave Un piso suave es uno en el cual la rigidez lateral es menor que el 70% de la rigidez del piso superior o menor que el 90% del promedio para los tres pisos superiores.

2 Irregularidad de masa (peso)

Se deberá considerar que existe irregularidad de masa cuando la masa efectiva de cualquier piso es más del 150% de la masa efectiva de un piso adyacente. No es necesarios considerar un techo que sea más liviano que el piso inferior.

3 Irregularidad geométrica vertical Se deberá considerar que existe irregularidad geométrica vertical cuando la dimensión horizontal del sistema resistente a fuerzas laterales en cualquier piso es más del 130% de la de un piso adyacente. No es necesario considerar apartamentos miradores de un piso.

4 Discontinuidad en el plano de un elemento vertical del

sistema resistente Una desalineación en el plano de los elementos verticales del sistema resistente a fuerzas laterales, mayor que la longitud de esos elementos.

5 Discontinuidad de capacidad, piso débil

Un piso débil es uno en el cual la resistencia del piso es menor que el 80% de la resistencia del piso superior. La resistencia del piso es la resistencia total de todos los elementos resistentes al sismo que comparten el cortante de piso en la dirección en consideración.

• La rigidez del entrepiso es la relación entre las fuerzas cortante adsorbida por un marco, muro o contraviento en un entrepiso y el desplazamiento horizontal relativo entre los dos niveles que lo limitan. La rigidez así definida no es independiente del sistema de fuerzas laterales y para calcular con rigor debe conocerse previamente tal sistema. En marcos ordinarios de edificios, el empleo de sistemas de cargas que no son estrictamente proporcionales al definitivo de análisis, introduce errores de poca importancia y usualmente es aceptable calcular las rigideces a partir de hipótesis simplificadoras sobre la forma del sistema de fuerzas laterales.

• RIGIDEZ : Cuando diseñamos un entrepiso es posible que aunque este correctamente diseñado pueda vibrar cuando se le de uso. Por eso es importante que además del diseño estructural por Resistencia se chequeen los desplazamientos a fin del control de las vibraciones. • RIGIDEZ : Deformación Cuando diseñamos una edificación en una zona no sísmica bastara con diseñar las columnas por resistencia, pero en zonas sísmicas habrá que tomar en cuenta los desplazamientos laterales. La Rigidez podemos incrementarla aumentando la sección, añadiendo materiales con mayor módulo de elasticidad, pero también disminuyendo la longitud del elemento. • RIGIDEZ Cuando aplicamos una carga lateral a un entrepiso con una sola columna esta se deformara de acuerdo a su rigidez. Si colocamos dos columnas de igual sección la deformación será menor e ira disminuyendo según aumente la cantidad de columna o si aumentamos las secciones.

• Método Aproximado : Es conocido como el método de la rigidez y es el más sencillo de aplicar. La rigidez de entrepiso de cada pórtico R está dada por la sumatoria de la rigidez t de las columnas que los conforman: 𝑹𝒊 = 𝒏𝒄 𝒊=𝟏 𝑻𝒊 Donde nc es el número de columnas del pórtico t y viene dada por: 𝒕=

𝟏𝟐𝑬𝑰 𝑯𝟑

• Los sistemas de piso son losas y vigas de concreto cuya rigidez en el plano horizontal es muy alta, de manera que cada eje del entrepiso toma una fracción de la fuerza sísmica proporcional a su rigidez. Una estimación aproximada de la rigidez de entrepiso de un marco regular se obtiene con las fórmulas de Wilbur.

Dónde : •

48𝐸 𝑅𝑛 = 4ℎ𝑛 ℎ + ℎ𝑛 ℎ𝑛 + ℎ0 + 𝑚 + 𝐾𝑐𝑛 𝐾𝑡𝑚 𝐾𝑡𝑛

𝐾𝑐𝑛 Es la suma de las rigideces entrepiso. 𝐼

𝐼 ( ) ℎ

de todas las columnas del

𝐾𝑡𝑚 Es la suma de las rigideces ( ) de todas las vigas del piso que 𝐿 se encuentra en la parte superior del entrepiso 𝐼𝑛 • ℎ𝑛 es la altura del entrepiso • los subíndices “o” y “m” Identifican los niveles inmediatos superior e inferior, respectivamente, al entrepiso 𝐼𝑛 en estudio. • E Modulo de elasticidad del concreto (𝑘𝑔 𝑐𝑚2 ) •

Hipótesis del método • 1. Los giros en todos los nudos de un nivel y de los dos niveles adyacentes son iguales, excepto en el nivel de desplante, en donde puede suponerse empotramiento o articulación, según sea el caso. • 2. Las cortantes en los dos entrepisos adyacentes al de interés son iguales al de éste.

Losa de entrepiso en una dirección

En los métodos de análisis sísmico comúnmente adoptados , se da por sentado de los sistemas de piso y techo constituyen diafragmas horizontales infinitamente rígidos y capaces de realizar dicha distribución de fuerza si deformarse. Esta hipótesis es generalmente valida , ya que los sistemas usuales de concreto poseen alta rigidez para fuerzas en el plano. Sin embargo no siempre es así; hay estructuras que carecen de sistema de piso en alguno o en todos sus niveles o en las que existen grandes huecos que reducen drásticamente la rigidez. Existen sistemas de piso que tienen muy baja rigidez para fuerzas en su plano, como los que están formados por vigas en una dirección con una cubierta de lámina delgada, o con los son a base de placas prefabricadas adosadas La falta de diafragmas horizontales produce diversos problemas como los siguientes.

• Los diafragmas de las edificaciones deben ser rígidos en su plano para igualar las deformaciones de los elementos verticales y evitar concentraciones de esfuerzos indeseables en las zonas de unión. Las normas permiten diafragmas flexibles pero se hace difícil estimar la respuesta dinámica de edificaciones con diafragmas flexibles. La utilización de diafragmas rígidos simplifica notablemente el proceso de análisis ya que permite el uso de modelos matemáticos sencillos.