1-Introduccion y Repaso General

VIII DIPLOMADO EN INGENIERÍA ESTRUCTURAL LIMA-PERU, ABRIL-MAYO 2010

DISEÑO ESTRUCTURAL EN ACERO

Ing. Eduardo Nuñez C.

DISEÑO ESTRUCTURAL EN ACERO DIPLOMADO EN INGENIERÍ INGENIERÍA ESTRUCTURAL. LIMA, ABRILABRIL-MAYO 2010

CONTENIDO 1. CONCEPTOS BÁSICOS 2. PROPIEDADES DEL ACERO ESTRUCTURAL 3. MÉTODOS Y FILOSOFÍA DEL DISEÑO ESTRUCTURAL EN ACERO 4. NORMAS Y CÓDIGOS 5. CASOS Y COMBINACIONES DE CARGA 6. REPASO GENERAL DE SOLICITACIONES EN LOS MIEMBROS 7. DISEÑO ESTRUCTURAL BAJO ACCIONES DE VIENTO 8. DISEÑO DE SISTEMAS DE PISO 9. DISEÑO SISMORRESISTENTE 9.1 SISTEMAS ESTRUCTURALES (SMF, STMF, SCBF, BRBF, EBF) 10. CONEXIONES (Conexiones a Corte, Conexiones Precalificadas para Momento y Conexiones para Arriostramiento) 11. PLANCHAS BASE Y PERNOS DE ANCLAJE

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CONCEPTOS BÁSICOS Una edificación debe cumplir exigencias de: ESTABILIDAD RESISTENCIA RIGIDEZ FUNCIONALIDAD ECONOMÍA FÁCIL CONSTRUCCIÓN

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TIPOLOGÍAS . Marcos rígidos . Marcos con arriostramientos concéntricos . Marcos con arriostramientos excéntricos . Marcos rígidos con muros de cortante, o . Combinación de los sistemas anteriores

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CONCEPTOS BÁSICOS Las conexiones pueden ser: . Soldadas . Apernadas . Remachadas

DISEÑAR PARA EVITAR LA FALLA EN CONEXIONES

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PROPIEDADES DEL ACERO ESTRUCTURAL . Alta resistencia . Homogéneo . Rango elástico amplio . Durabilidad . Ductilidad . Reciclable

PROPIEDADES MECANICAS

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Fu

σ

Fyd Endurecimiento por deformación

E

Rango plástico Rango elástico

ε εu

Curva idealizada Esfuerzo-Deformación del Acero

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NORMA

DESIG.

Fy kg/cm²

Fu kg/cm²

COVENIN

AE-25

2500

3700

COVENIN

AE-35

3500

5200

DIN

St-37

2400

3700

DIN

St-52

3600

5200

ASTM

A36

2530

4080

ASTM

A588

3520

4930

ASTM

A500 Gr C

3520

4360

ASTM

A500 Gr C

3240

4360

ASTM

A572 Gr 42

2950

4220

ASTM

A572 Gr 50

3520

4570

ASTM

A572 Gr 60

4220

5270

ASTM

A572 Gr 65

4570

5620

ASTM

A53B

2460

4220

ASTM

A992

3520

4570

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FILOSOFÍA •Establecer un Diseño Por Capacidad: Limitar Mecanismos Frágiles y propiciar Mecanismos Dúctiles. •Elegir y establecer el patrón de falla adecuado de los elementos “Fusibles” que entrarán en cedencia durante un evento sísmico. •Los elementos “Fusibles” deben ser capaces de desarrollar incursiones inelásticas significativas y de disipar energía durante un evento sísmico. •Diseñar el resto de los elementos del sistema resistente a sismo con la condición de que permanezcan en el rango elástico al presentarse las fallas dúctiles (Rótulas plásticas) esperadas en los “Fusibles”. •Las Conexiones de los elementos “Fusibles” deben ser diseñadas en función a la capacidad inelástica esperada de los mismos. •Las conexiones del resto de los elementos del sistema resistente a sismo deben ser diseñadas para las fuerzas que se producen al presentarse las fallas dúctiles (Rótulas plásticas) esperadas en los “Fusibles”.

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H

Ductility = Inelastic Deformation

H

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(a)

(b)

(a) Comportamiento más Dúctil (b) Comportamiento menos Dúctil

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MÉTODO DE DISEÑO . Variabilidad de las solicitaciones: – Cambio de uso – Estimación poco conservativa de las solicitaciones – Mala estimación de los efectos de las solicitaciones debido a simplificaciones excesivas durante análisis – Diferencias en el proceso constructivo

Q Qc

Solicitaciones

Probabilidad de exceder Qc

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MÉTODO DE DISEÑO . Variabilidad de la resistencia – Imperfecciones geométricas – Tensiones residuales. – Variabilidad de la resistencia del material – Defectos en el proceso constructivo – Deterioro de resistencia con el tiempo – Aproximación en fórmula para determinar la resistencia

R Rc Probabilidad de tener resistencia menor que Rc

Resistencia

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MÉTODO DE DISEÑO Diseño estructural debe proveer confiabilidad adecuada para el caso de solicitaciones mayores que las consideradas o baja resistencia

Q

Qm

R

Rm Falla

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MÉTODO DE DISEÑO

Combinaciones de carga

β (Índice de confiabilidad)

Carga permanente + carga viva (o nieve)

3 para miembros 4.5 para uniones

Carga permanente + carga viva + viento

2.5 para miembros

Carga permanente + carga viva + sismo

1.75 para miembros

AISC-LRFD

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φ⋅Rc γ⋅Qc

Q

Qm

R

Rm

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MÉTODO DE DISEÑO •

Método de Diseño por factores de carga y resistencia (LRFD) – Modelo probabilístico – Calibración con ASD – Evaluación de experiencias previas

φR

≥ n

∑

γ Q i

i

= Q

u

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MÉTODO DE DISEÑO •

LRFD: – Es una herramienta disponible. – Más racional que ASD. – Permite cambios más fácilmente que ASD. – Puede ser adaptado para solicitaciones no consideradas. – Permite compatibilizar diseños con distintos materiales.

•

ASD: – Aún se sigue utilizando como método de diseño – Rehabilitación/reparación de estructuras antiguas.

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NORMAS Y CÓDIGOS •ANSI/AISC 360-05 “Specification for Structural Steel Buildings” •ANSI/AISC 341-05 “Seismic Provisions for Structural Steel Buildings” •ANSI/AISC 358-05 “Prequalified Connections for Special and Intermediate Steel Moment Frames for Seismic Applications” •AISC LRFD-99 “Load Resistance Factor Design” •AISC ASD-01 “Allowable Stress Design” •AISC – “Steel Design Guide (Second Edition)” •SEI/ASCE 7-02: “Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures”

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NORMAS Y CÓDIGOS •FEMA 350 Recommended Seismic Design Criteria for New Steel MomentFrame Buildings •FEMA 351 Recommended Seismic Evaluation and Upgrade Criteria for Existing Welded Steel Moment-Frame Buildings •FEMA 352 Recommended Post earthquake Evaluation and Repair Criteria for Welded Steel Moment-Frame Buildings •FEMA 353 Recommended Specifications and Quality Assurance Guidelines for Steel Moment-Frame Construction for Seismic Applications

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CASOS Y COMBINACIONES DE CARGA • • • • • • • • • • •

Cargas muertas (D). Cargas vivas estáticas (L, Lr). Cargas vivas móviles (L). Impacto (I). Nieve (S). Viento (W). Sismos (E). Lluvia (R). Empuje de suelos (H). Inundación (F). Otros.

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CASOS Y COMBINACIONES DE CARGA Cargas Permanentes o Muertas: • • • •

Peso propio de la estructura. Peso propio de las terminaciones de pisos y muros. Peso de ductos y servicios. Peso de tabiques. Losa estructural

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CASOS Y COMBINACIONES DE CARGA Cargas vivas: •

•

Sobrecargas de uso – habitacional, – de oficinas, – de almacenamiento, – de estacionamiento Tráfico peatonal o vehicular – Cargas distribuidas – Cargas móviles

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CASOS Y COMBINACIONES DE CARGA Acciones de Viento: •

• • •

Velocidad máxima Vmax de viento esperada (en N años) – Localización geográfica – Irregularidad del terreno q(h) Presión básica q = q(Vmax). Variación de la presión en altura. Modificación por – Dirección de incidencia – Inclinación de superficies

C2·q Viento

C3·q a

C1·q

C4·q

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CASOS Y COMBINACIONES DE CARGA Cargas Sísmicas: W1 W1

W2

Q1 M·a

W2 Q2

Q1 + Q2 = Q Movimiento del suelo

Cortante basal

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CASOS Y COMBINACIONES DE CARGA •

Combinaciones de carga LRFD (ASCE 7-02) – – – – – – –

1.4(D + F) 1.2(D + F + T ) + 1.6(L + H) + 0.5(Lr or S or R) 1.2D + 1.6(Lr or S or R) + (L or 0.8W) 1.2D + 1.6W + L + 0.5(Lr or S or R) 1.2D + 1.0E + L + 0.2S 0.9D + 1.6W + 1.6H 0.9D + 1.0E + 1.6H

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Comportamiento Plástico: Existe reserva de resistencia en la sección

Fy

My

Fy

M1>My

-Fy

-Fy

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•

Existe reserva de resistencia en la estructura (hiperestaticidad)

P1≤Py

Rango elástico

P2>Py

Plastificación de viga

Pu>P2

Colapso

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•

Comportamiento o Método plástico – Material es elástico-perfectamente plástico. Fy

σ σy Mp

E ε – No hay inestabilidad – No hay fractura – No hay fatiga

-Fy

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REPASO GENERAL DE SOLICITACIONES EN MIEMBROS

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CAPÍTULO D. DISEÑO DE MIEMBROS A TRACCIÓN

L/r