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UNIVERSIDAD DE CONCEPCIÓN Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil

Profesor Patrocinante Dr. Rodrigo Silva M.

DISEÑO DE EDIFICIO EN BASE A DIAGONALES RESTRINGIDAS AL PANDEO SEGÚN NORMATIVA VIGENTE

Cristian Francisco Guiñez Guzmán

Informe de Memoria de Título Para Optar al Título de

Ingeniero Civil

Septiembre, 2017

RESUMEN

RESUMEN

AGRADECIMIENTOS

Índice

i

CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 1 1.1 Motivación .............................................................................................................................. 1 1.2 Objetivos ................................................................................................................................. 2 1.2.1 Objetivo general............................................................................................................ 2 1.2.2 Objetivos específicos .................................................................................................... 2 1.3 Metodología de trabajo ........................................................................................................... 2 1.4 Principales resultados .............................................................................................................. 3 1.5 Organización de la memoria ................................................................................................... 3

CAPÍTULO 2 DIAGONALES RESTRINGIDAS AL PANDEO ........................................... 4 2.1 Introducción ............................................................................................................................ 4 2.2 Aspectos generales .................................................................................................................. 4 2.3 Ventajas y desventajas del uso de riostras BRB ..................................................................... 7 2.3.1 Ventajas del uso de BRB .............................................................................................. 7 2.3.2 Desventajas del uso de BRB ......................................................................................... 8 2.4 Comportamiento y ensayos de BRB ....................................................................................... 9 2.5 Modelación ............................................................................................................................ 11 2.6 Procedimiento de diseño de riostra BRB .............................................................................. 12 2.6.1 Resistencia de riostra BRB ......................................................................................... 13 2.6.2 Diseño de funda .......................................................................................................... 13 2.6.3 Resistencia ajustada de riostra BRB ........................................................................... 14 2.6.4 Conexiones de riostra BRB ........................................................................................ 15 2.7 Conclusiones ......................................................................................................................... 15

CAPÍTULO 3 INFORMACIÓN DEL PROYECTO .............................................................16 3.1 Introducción .......................................................................................................................... 16 3.2 Planta arquitectónica ......................................................................................... .................... 16 3.3 Datos de suelo del edificio .................................................................................................... 17 3.4 Estructuración ....................................................................................................................... 18 3.5 Elementos estructurales ......................................................................................................... 18 3.5.1 Vigas compuestas y losa colaborante ......................................................................... 18 3.5.2 Columnas, placas base y empalmes ............................................................................ 20 3.5.3 Diagonales restringidas al pandeo .............................................................................. 21

Índice

ii

3.5.4 Fundaciones ................................................................................................................ 21 3.6 Pesos totales .......................................................................................................................... 21 3.7 Conclusiones ......................................................................................................................... 22

CAPÍTULO 4 MODELACIÓN ESTRUCTURAL ................................................................ 23 4.1 Introducción .......................................................................................................................... 23 4.2 Materiales .............................................................................................................................. 23 4.3 Métodos y cargas de diseño .................................................................................................. 24 4.3.1 Combinaciones de carga ............................................................................................. 26 4.4 Normas y manuales de diseño ............................................................................................... 26 4.5 Consideraciones en elementos estructurales ......................................................................... 27 4.6 Conclusiones ......................................................................................................................... 28

CAPÍTULO 5 ANÁLISIS SÍSMICO ......................................................................................29 5.1 Introducción .......................................................................................................................... 29

Capítulo 1: Introducción

1

CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN 1.1 Motivación Los marcos arriostrados concéntricos son uno de los sistemas más eficientes de soporte lateral en estructuras. No obstante, al ser sometidos a altas demandas de ductilidad, fallan frágilmente por el  pandeo de sus miembros arriostrantes. Desde la década del 90’ tomó fuerza la idea de estructuras que deben calcularse con procedimientos que no solo aseguren resistir las fuerzas laterales, si no, también incluir un nivel de seguridad y desempeño con respecto a la perspectiva del usuario. Para mejorar el desempeño de estas estructuras se desarrolló un nuevo sistema con mayor ductilidad denominado marco arriostrado con diagonales restringidas al pandeo o Buckling-Restrained Braced  Frame (BRBF).

Las diagonales restringidas al pandeo o  Buckling-Restrained Braces (BRB) se componen de un núcleo de acero embebido por un material confinante que restringe el pandeo, gracias a esto, el perfil central de acero es capaz de fluir a compresión y a tracción, consiguiendo un comportamiento estable durante solicitaciones laterales de la estructura. En países como Japón y Estados Unidos se ha implementado una metodología de diseño detallada en base a ensayos. Dado el éxito conseguido a nivel global, es interesante evaluar el diseño y comportamiento de este tipo de elementos siguiendo normas de diseño utilizadas en Chile. En este trabajo se diseñó un edificio de oficinas ubicado en la ciudad de Concepción estructurado en base a diagonales restringidas al pandeo, combinando la metodología de diseño extranjera con la normativa chilena vigente, para finalmente, comparar su comportamiento con el de un sistema en  base a marcos concéntricos especiales.

Capítulo 1: Introducción

2

1.2 Objetivos 1.2.1

Objetivo general

Diseñar un edificio en base a diagonales restringidas al pandeo según normativa vigente chilena y norteamericana aplicable.

1.2.2



Objetivos específicos

Estudio de la metodología y estado del arte del sistema marco arriostrado con diagonales restringidas al pandeo.



Definición de arquitectura y estructuración del edificio.



Modelación, diseño y comparación del edificio en base a diagonales restringidas al pandeo con una estructura en base a marcos concéntricos especiales

1.3 Metodología de trabajo Se estableció el estado del arte de diagonales restringidas al pandeo, normativa extranjera de diseño y estrategias de modelación de acuerdo a papers y diseños previos. Posteriormente se definió la arquitectura del edificio y se modeló utilizando el software de análisis estructural ETABS v16.1.0. Más tarde se obtuvieron las propiedades dinámicas y se realizó un análisis modal espectral frente a cargas sísmicas según la norma NCh 433 Of. 96 (INN, 2012) y al Decreto Supremo N°61 (Diario Oficial, 2011), verificando drift y cortes basales.

Capítulo 1: Introducción

3

Finalmente, se verificó elementos estructurales según combinaciones LRFD o ASD según corresponda, y de acuerdo a disposiciones del American Institute of Steel Construction (AISC 36010), del American Concrete Institute (ACI-318-08) y del Steel Deck Institute (SDI, 1987).

1.4 Principales resultados Asd

1.5 Organización de la memoria Asd

Capítulo 2: Diagonales restringidas al pandeo

4

CAPÍTULO 2 DIAGONALES RESTRINGIDAS AL PANDEO 2.1 Introducción Al ser una tecnología nueva en Chile, en esta sección se dará a conocer los fundamentos de ésta, aspectos generales, su composición, comportamiento detallado a través de ensayos, como lograr una correcta modelación utilizando herramientas computacionales actuales y el procedimiento de diseño.

2.2 Aspectos generales Las diagonales restringidas al pandeo son un sistema estructural para otorgar rigidez y resistir cargas laterales actuantes en edificios. Se caracteriza por disipar energía de forma pasiva por fluencia del acero. Son diseñados para otorgar una respuesta dúctil del sistema, la clave es limitar la ocurrencia de pandeo ante cargas de compresión, esto produce un ciclo de histéresis más estable y un comportamiento similar en tracción y compresión, tal como lo muestra la Figura 2.1.

Figura 2.1 Comportamiento de arriostramientos convencionales y BRB (Qiang Xie, 2005)

Capítulo 2: Diagonales restringidas al pandeo

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El concepto de BRB fue investigado inicialmente en Japón en la década de 1970 y se ha aplicado,  principalmente en Estados Unidos, tanto a estructuras nuevas como a estructuras existentes que necesitan algún tipo de rehabilitación. Una diagonal restringida al pandeo está compuesta por cuatro partes:





 Núcleo de acero: Resiste cargas axiales, diseñado para fluir a compresión y tracción. Material antifricción: Su función es separar el núcleo del material de confinamiento,  permitiendo que el acero pueda deslizar libremente y expandirse bajo tensión o acortarse  bajo compresión sin influir sobre el mortero.



Material de confinamiento: Encargado de evitar el pandeo local del núcleo bajo cargas de compresión. Se utiliza principalmente un mortero.



Funda: Tubo de acero circular o rectangular que envuelve todo el conjunto. Se diseña para resistir el pandeo global de la riostra.

Figura 2.2 Esquema conceptual de una riostra BRB

Capítulo 2: Diagonales restringidas al pandeo

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Existen distintas formas de configurar una riostra BRB, Xie (2005) describe gran cantidad de las formas ensayadas en los primeros años de desarrollo de esta tecnología. En la Figura 2.3 se observan distintas secciones transversales que son capaces de otorgar el confinamiento necesario al núcleo de acero. La más popular terminó siendo (a), la cual posee en el centro un perfil de acero que puede ser tanto sección rectangular como cruciforme, con una funda correspondiente a un tubo de acero de forma rectangular o circular lleno de hormigón, dejando una pequeña separación con el núcleo para incluir el material antifricción.

Figura 2.3 Secciones típicas de BRB (Qiang Xie, 2005) El sistema funciona de la siguiente forma, al ser sometido a cargas de compresión, el núcleo concentra la carga axial y puede fluir libremente a compresión o tracción debido a que el material confinante no permite deformaciones laterales significativas que permitan la falla del perfil de acero, en esta interacción es importante el material antifricción, éste evita el contacto entre núcleo y material confinante, si existiera contacto entre estos dos materiales la resistencia a compresión aumentaría, no logrando el mismo punto de fluencia para el que se diseñó. Por esta razón la capa debe ser diseñada con detención, no puede ser demasiado gruesa ya que podría evitar la dilatación del núcleo y no puede ser demasiado delgada porque el núcleo podría deformarse significativamente y ocurriría el pandeo.

Capítulo 2: Diagonales restringidas al pandeo

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La sección transversal del núcleo de acero requiere especial atención en el diseño, ya que es la variación de espesor a través del largo de ésta la que permite que la acción inelástica se centre en una porción donde se asegura que no ocurrirá falla por pandeo. Estas secciones se dividen en tres:



Zona de fluencia: Cubierta completamente por el material antifricción. Diseñada para concentrar la deformación inelástica de diseño, su sección es menor a las demás partes debido a ser la única en fluir a esfuerzos de diseño. La rigidez de la riostra BRB puede ser modificada sin cambiar su capacidad de resistencia cambiando solo la longitud de esta sección.



Zona de transición: Permite un cambio gradual en la sección de acero con el fin de que la zona que la sigue no fluya ante esfuerzos de diseño.



Zona de conexión: Este segmento es el de mayor área ya que debe permanecer elástico en todo momento y permitir el diseño de una conexión apernada, soldada o rotulada.

Figura 2.4 Sección longitudinal del núcleo de acero de una riostra BRB (Fermandois, 2009)

2.3 Ventajas y desventajas del uso de riostras BRB 2.3.1



Ventajas del uso de BRB Las riostras BRB pueden ser diseñadas para cualquier resistencia y rigidez requerida. Esto se puede hacer variando la longitud efectiva de la zona de fluencia.

Capítulo 2: Diagonales restringidas al pandeo



8

El daño en eventos sísmicos se concentra en las riostras BRB, actuando como “fusibles”.

Esto permite que los demás elementos se mantengan en rango elástico.



Al no fallar por pandeo, no sufren cambios abruptos de rigidez y su comportamiento ante cargas de compresión o tensión es muy similar en ambos casos.



En el aspecto constructivo, son de fácil ensamblaje debido al uso de uniones apernadas y no presentan mayor problema al momento de reemplazarlas.



Los BRB permiten un diseño más económico de la estructura de acero, ya que reduce el tamaño de las vigas y columnas que componen los marcos.

2.3.2



Desventajas del uso de BRB Al ser un elemento con distintas secciones, posee alta variabilidad de propiedades. Esto se traduce como un control exhaustivo del acero utilizado, por lo tanto, los ensayos de laboratorio son prioridad para este tipo de elementos



Luego de ser sometidas a cargas cíclicas, existe acumulación de deformaciones residuales ya que el BRB no tiene un mecanismo que haga retornar a la estructura a su posición original.



Al diseñar una riostra BRB hay que prestar atención a las consideraciones de confección. El nivel de detallamiento de este dispositivo está ligado al costo, por lo tanto, son muy  pocos los fabricantes certificados que cumplen con un elemento que cumpla con las características esperadas en un BRB.



Se debe establecer un criterio para detección de arriostramientos dañados, debido a que hasta ahora, las configuraciones adoptadas dificultan la inspección del núcleo de acero.

Capítulo 2: Diagonales restringidas al pandeo

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2.4 Comportamiento y ensayos de BRB Los primeros estudios detallados a escala real de diagonales restringidas al pandeo corren por parte de Black et al. (2002) que ensayó cinco diagonales a compresión con distintas configuraciones denominadas comercialmente como Unbonded BraceTM, caracterizando su comportamiento. Con este estudio se consiguió comprobar que un correcto diseño de las riostras BRB cumplía con los siguientes fundamentos teóricos, un comportamiento histerético estable, evitar la falla por pandeo global y una amplia capacidad inelástica. Con respecto a la modelación de riostras se estableció que un modelo bilinear es correcto para representar el comportamiento de estos elementos.

Figura 2.5 Vista de riostra BRB montada en ensayo (arriba) Ciclo de histéresis en ensayo a compresión de riostra BRB (abajo)

Capítulo 2: Diagonales restringidas al pandeo

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Otro aspecto de los BRB que resulta interesante estudiar, es el comportamiento que estos tienen frente a distintos niveles de confinamiento y la importancia de definir correctamente las  propiedades del material confinante utilizado. Ensayos realizados por Qiang Xie (2005) muestran ciclos de histéresis para dos riostras BRB que poseen el mismo núcleo de acero, pero distintas dimensiones del material confinante, en este caso hormigón (Figura 2.6). El espécimen número  N°3 presenta un ciclo de histéresis estable en donde se alcanzan las mismas capacidades tanto a tracción como a compresión; por otro lado, el espécimen N°4, con un área menor de material confinante, presenta un ciclo de histéresis inestable en donde la capacidad a compresión del elemento se ve disminuida ante pocos ciclos de carga. Los resultados anteriores se deben a que al espécimen N°4 no se le entregó el confinamiento suficiente por lo que se evidencia la falla por  pandeo antes de llegar a la carga de fluencia.

Figura 2.6 Dimensiones y secciones de los especímenes y resultados (Qiang Xie, 2005) Con respecto a diseños adaptados a normas chilenas, Medalla et al. (2015) implementa diagonales restringidas al pandeo a una estructura industrial de 26,5 metros de altura con el fin de reducir el corte basal de diseño. Medalla realizó un análisis modal espectral según la norma NCh 433 (INN, 1996) tomando consideraciones de acuerdo a las disposiciones de AISC341-10. Lo importante de esta aplicación es que todos los supuestos de diseño fueron validados con un análisis no lineal de la estructura, comprobando tres puntos importantes, el primero es que las diagonales entraron en rango inelástico, el segundo es que los BRB concentran la demanda inelástica mientras los demás elementos sostienen un régimen lineal, y, por último, los parámetros considerados en el análisis resultaron conservadores, lo que deja espacio a la optimización de material.

Capítulo 2: Diagonales restringidas al pandeo

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Figura 2.7 Sistema estructural analizado (Medalla et al, 2015)

2.5 Modelación La principal característica para representar una diagonal restringida al pandeo en programas computacionales es su rigidez, Lin et al. (2014) confirma que la rigidez axial elástica de un BRB  puede ser modelada como tres resortes conectados en serie, donde cada resorte representa la rigidez axial de un segmento de la riostra BRB, en la siguiente ecuación, se puede ver el detalle del cálculo de esta rigidez.

Keff  =  1 11 1  +  + ( )

(2.1)

Donde Kc, Kt, y Kj son las rigideces elásticas de la zona de fluencia, transición y de conexión respectivamente. Cada rigidez es estimada por EAc/Lc, EAt/2Lt y EAj/2Lj respectivamente, donde E es el módulo elástico de Young del núcleo y L es el largo correspondiente a cada segmento del BRB. Si los largos de cada sección se expresan en términos de la longitud total de la riostra con factores αc+αt+α j=1, quedaría de la siguiente forma:

Lc = αcLwp,2Lt = αtLwp,2Lj = αjLwp

(2.2)

Capítulo 2: Diagonales restringidas al pandeo

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Utilizando factores para relacionar las áreas del segmento de transición y conexión con respecto al área del segmento central:

At = atAc, Aj = ajAc

(2.3)

Sustituyendo la Ecuacion 2.2 y 2.3 en la Ecuación 2.1, la rigidez efectiva puede ser representada  por el factor Q.

Keff  = αc ataj +ααtαtaj j + αjat LEAwpc  = Q LEAwpc

(2.4)

En un modelo analítico de BRBF, la riostra BRB puede ser representada como un elemento con área Ac, longitud Lwp y un módulo elástico equivalente a QE. Lin et al. (2014) encontró un error de +-5% en el cálculo de la rigidez con el método explicado recientemente con respecto a lo medido experimentalmente en sus ensayos. Para diseños  preliminares de sistemas BRBF, Tremblay et al. (2016) recomienda utilizar un factor Q=1,5 cuando se espera que los límites de drifts controlen el diseño final.

2.6 Procedimiento de diseño de riostra BRB Una serie de recomendaciones para el diseño de marcos BRBF han sido incluidas en  NEHRP  Recommended Provisions for Seismic Regulations for New Buildings and Other Structures (BSSC,

2003), y también en la versión del año 2010 de las Seismic Provisions for Structural Steel Buildings (AISC, 2010a). Los principales requisitos de diseño se presentan a continuación. Cabe destacar que estas serán utilizadas posteriormente para el diseño de las estructuras estudiadas en el Capítulo 6.

Capítulo 2: Diagonales restringidas al pandeo

2.6.1

13

Resistencia de riostra BRB

La principal función de las diagonales restringidas al pandeo es dar rigidez lateral y disipar energía. En este contexto las riostras deben ser diseñadas evitando sobredimensionarlas, ya que esto, podría conducir a que solo unas pocas riostras alcancen la fluencia mientras que las demás permanecerían elásticas, hecho que podría facilitar la aparición del fenómeno de piso blando. El criterio de resistencia que debe cumplir la riostra sometida a compresión (método LRFD) se  presenta en la Ecuación 2.5 y 2.6.

Pu ≤ ϕPy

(2.5)

Donde

Py = Fy ∗  2.6.2

(2.6)

Diseño de funda

La funda debe limitar el pandeo local y global del núcleo de la riostra BRB para deformaciones correspondientes a dos veces la distorsión de piso de diseño debido a calibraciones realizadas para Seismic Provisions for Structural Steel Buildings (AISC, 2010a). El criterio de estabilidad que debe

cumplir la funda es el siguiente (método LRFD):

πEIo Pfund = KL 

(2.7)

Pmáx ≤ ϕPfund

(2.8)

Capítulo 2: Diagonales restringidas al pandeo

2.6.3

14

Resistencia ajustada de riostra BRB

Conexiones y miembros adyacentes a las riostras BRB deben ser diseñadas para resistir fuerzas calculadas en base a la resistencia ajustada de la riostra (Figura 2.8). La resistencia ajustada en compresión debe ser igual a:

Pmáx =  

(2.9)

Mientras que la resistencia ajustada en tracción debe ser igual a:

Tmáx =  

(2.10)

Donde β es el factor de ajuste por expansión de la sección del núcleo por compresión, ω es el factor de ajuste por endurecimiento por deformación y Ry es la razón entre la tensión de fluencia esperada (Fye) y la mínima especificada (Fy).

Figura 2.8 Diagrama de tensión-deformación de riostra (AISC, 2010a) El factor β debe ser calculado como la razón entre la fuerza de compresión máxima y la fuerza de tracción máxima de la riostra en estudio, para una deformación correspondiente a dos veces la distorsión de piso de diseño. Se considera un factor β=1,1 según Tremblay et al. (2016).

Capítulo 2: Diagonales restringidas al pandeo

15

El factor ω debe ser calculado como la razón entre la fuerza de tracción máxima y la fuerza de

fluencia de la riostra en estudio para una deformación correspondiente a dos veces la distorsión de  piso de diseño. Se considera un factor ω=1,4 como lo menciona Tremblay et al. (2016). El factor Ry no debe aplicarse si se utiliza la tensión de fluencia real del acero determinada por un ensayo de probeta. Se consideró un factor Ry=1,3 que corresponde al factor asociado a una placa de acero ASTM-A36.

2.6.4

Conexiones de riostra BRB

La resistencia requerida de las conexiones de la riostra en tracción y compresión deberá ser igual a 1,1 veces la resistencia ajustada a compresión de la riostra. Esta carga de diseño también debe ser considerada en el diseño de las conexiones viga-columna cuando sean parte del sistema arriostrado.

2.7 Conclusiones

Capítulo 3: Información del proyecto

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CAPÍTULO 3 INFORMACIÓN DEL PROYECTO 3.1 Introducción En este capítulo se describe la estructura diseñada, presentando las plantas arquitectónicas, elevaciones, pesos totales y especificaciones de los elementos estructurales que la componen e indicando los detalles constructivos más relevantes.

3.2 Planta arquitectónica La planta arquitectónica del primer nivel de la estructura se muestra en la Figura 3.1. El resto de los niveles se presentan en el Anexo ASD.

Figura 3.1 Planta arquitectónica del primer nivel del edificio Las principales características de la estructura corresponden a las siguientes:



Edificio orientado al uso de oficinas

Capítulo 3: Información del proyecto



17

Planta rectangular de 45,75 m de largo y 19,25 m de ancho, lo que equivale a un área total en planta de 880,69 m2 para las plantas 1 y 2. Para las otras plantas había otras medidas. El edificio presenta un total de ocho pisos distanciados entre sí a 3,4 metros, entregando una altura total de 27,2 m.



Se cuenta con nueve ejes resistentes en el sentido largo (dirección X) de la estructura. En cambio, en el sentido corto (dirección Y) se dispone de cuatro.



Las vigas de piso en cada nivel están orientadas paralelamente a la dirección Y. Su separación varía entre los 1,75 m y 2,5 m.



La losa del segundo nivel presenta una abertura que entrega al hall  de acceso, mayor espacio en términos de altura.



El acceso a cada nivel se realiza mediante una escalera y un ascensor ubicados en el extremo inferior derecho de la planta estructural. Cabe mencionar que la escalera permite el acceso a la azotea del edificio.

3.3 Datos de suelo del edificio El edificio se ubica en la ciudad de Concepción, correspondiendo a zona sísmica tres de acuerdo a la norma NCh 433 (INN 1996). Además, se consideró un suelo tipo D con las siguientes características: 

Tensión admisible para cargas estáticas: 294,2 kN/m2



Tensión admisible para cargas dinámicas: 382,5 kN/m2



Módulo de balasto para cargas estáticas: 52,9 N/cm3



Módulo de balasto para cargas dinámicas: 79,4 N/cm3



Coeficiente de fricción suelo-estructura: 0,4



Densidad del suelo: 18 kN/m3

Capítulo 3: Información del proyecto

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3.4 Estructuración La estructuración del edificio se realiza en base al sistema BRBF cuyos elementos corresponden a columnas, vigas, losas compuestas y diagonales restringidas al pandeo. Los perfiles ASD son  perfiles ASD extraídos del manual ICHA (1986) y los espesores utilizados en las riostras BRB VER COMO VA EL DISEÑO DE BRB. Las elevaciones, plantas estructurales y vistas 3D  principales del edificio se presentan desde la Figura ASD a la Figura ASD. VISTAS DEL MODELO Y ESPESORES UTILIZADOS EN BRB Con respecto al edificio comparativo, corresponde a un sistema SCBF (Special Concentrically  Braced Frame) cuyos elementos corresponden a columnas, vigas, losas compuestas y

arriostramientos en X. Los perfiles HN e IN son perfiles soldados extraídos del manual ICHA (1986) y los perfiles tubulares utilizados como diagonales son extraídos desde un catálogo comercial1 y se presentan en la Tabla ASD del Anexo ASD. Las elevaciones y vistas 3D de esta estructura se presentan desde la Figura ASD a la Figura ASD del Anexo ASD. 1

Catálogo comercial de empresa Francisco Petricio Acero

3.5 Elementos estructurales Se describen los aspectos más relevantes de los elementos estructurales, donde los detalles y planos de diseño se presentan en Anexo ASD.

3.5.1

Vigas compuestas y losa colaborante

Las vigas del edificio son compuestas a la losa colaborante con ayuda de conectores de corte. El detalle constructivo para materializar este tipo de vigas se muestra en la Figura ASD. También, la unión entre vigas y entre vigas-columnas se completan a través de una conexión apernada a cizalle doble como se observa en la Figura ASD.

Capítulo 3: Información del proyecto

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Figura ASD Detalle constructivo para vigas paralelas a los nervios de la losa (izquierda) y vigas  perpendiculares a los nervios de la losa (derecha) (SMD, 2013)

Figura ASD Esquema tipo de conexión de corte apernada viga-columnas (1) y viga-viga (2) La Figura ASD (izquierda) muestra el detalle constructivo para unir la placa colaborante con las vigas paralelas a los nervios de la losa. Como se muestra en dicha figura, en el caso en que el nervio de la placa colaborante no coincida con la viga se utilizan placas de ajuste a modo de unir ambos elementos. En la Figura ASD (derecha) se muestra el caso en que la viga está orientada  perpendicular a los nervios de la losa, por lo cual ella siempre va a coincidir con éstos, y por lo tanto no es necesario el uso de una placa de ajuste.

Capítulo 3: Información del proyecto

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Por otro lado, el sistema de entrepiso está compuesto por una losa colaborante. Esta se forma por la unión de una lámina colaborante más una losa de hormigón que se une a las vigas de acero mediante conectores de corte. Las dimensiones de la losa se presentan en la siguiente figura:

Figura ASD Dimensiones de losa colaborante (cotas en mm) Según especificaciones del fabricante CINTAC, el ancho útil de la lámina colaborante es de 950 mm y un espesor de 0,8 mm. La armadura de retracción es una malla electrosoldada ACMA en  base a acero AT56-50H (Ø7@150 mm). Esta armadura posee un área de 256 mm2/m.

3.5.2

Columnas, placas base y empalmes

Las columnas corresponden a perfiles ICHA que cumplen con la condición de ser sísmicamente compactos exigida por el AISC 341-10 (AISC, 2010a). Además, se considera que las columnas sólo transmiten cargas axiales y de corte a las fundaciones, esto debido a que se utilizan apoyos rotulados. La placa base utilizada en el proyecto se diseñó en base a las reacciones de apoyo más desfavorables. Las dimensiones de la placa base, llave de corte y silla de anclaje se presentan en la Figura ASD. REALIZAR PLACAS BASE Y PONER IMAGEN CON SU DETALLE Los empalmes son desarrollados en la mitad de la altura libre entre pisos, el detalle se muestra en la Figura ASD.

Capítulo 3: Información del proyecto

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Figura ASD Detalle de empalme apernado (1) y empalme soldado (2) en columnas (cotas en mm)

3.5.3

Diagonales restringidas al pandeo

DESPUES DE DISEÑAR SE DETALLA LA CALIDAD DEL ACERO, EN BASE A QUE SE HACE ESE CALCULO, ESPESORES DE PLACA PARA BRB, MATERIAL ANTIFRICCION, HORMIGON, TIPO DE CONEXIÓN UTILIZADA

3.5.4

Fundaciones

El sistema de fundaciones consiste en una losa de hormigón armado a 1.7 metros de profundidad, con un espesor de 120 cm rigidizada mediante vigas superiores de 170 cm de altura y 75 cm de ancho. El tipo de fundación utilizada se observa en las figuras. Cabe mencionar que la losa de fundación sobresale en un metro al exterior el perímetro de la estructura. MEDIDAS DE FUNDACIONES ELEVACION VISTA EN PLANTA

3.6 Pesos totales

Capítulo 3: Información del proyecto

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El peso de la losa colaborante es de 2,32 k N/m2. La estructura consta de ocho pisos y el área total en planta es de 880,69 m2, por lo que el peso total que entrega la losa colaborante a la estructura es de 16.190,51 kN (se le restó el área de la abertura del hall  de acceso). En la tabla se muestra el resumen de los pesos de los elementos del edificio en base al sistema BRBF. TABLA DE COLUMNAS VIGAS DIAGONALES, TOTAL, TOTALCONPLACA De la tabla anterior se puede concluir que el peso total de la estructura, considerando la losa colaborante, es de ASD. Además, el volumen de hormigón requerido en las fundaciones es de ASD. DESPUES DE HACER LAS FUNDACIONES Por otro lado, el peso total de la estructura en base al sistema SCBF se muestra en la tabla ASD, donde se consideró el peso de las conexiones igual al 20% del peso total de la estructura de acero. VER SI ES IGUAL CON ESTE DISEÑO DE CONEXIONES PESO DE COLUMNAS VIGAS DIAGONALES CONEXIONES TOTAL De la tabla anterior se puede concluir que el peso total de la estructura, considerando la losa colaborante, es de 3,41 kN/m2.

3.7 Conclusiones Se presentaron consideraciones y diseños que dan pie a conocer el tipo de estructuración que se desarrolló en los siguientes capítulos.

Capítulo 4: Modelación estructural

23

CAPÍTULO 4 MODELACIÓN ESTRUCTURAL 4.1 Introducción

4.2 Materiales



Acero estructural, hormigón armado y acero de refuerzo

Se utilizó un acero tipo ASTM A36 para todas las vigas, y columnas del edificio, también, para el núcleo y funda de acero de la diagonal restringida al pandeo. En la losa colaborante y fundaciones se consideró un hormigón H30, en tanto, para el relleno de la riostra BRB se especifica un hormigón H20, que según Fermandois (2009), es suficiente para prevenir el pandeo local del núcleo. Además, el acero de refuerzo utilizado en las fundaciones corresponde a un A63-42H. Las propiedades de los materiales se muestran en la siguiente tabla. Tabla 4.1 Propiedades de los materiales en edificio en base a sistema BRBF

Acero estructural A36 Hormigón H30 H20 Acero de refuerzo A63-42H 

Fy (MPa) Fu (MPa) 250 400 f'c (MPa) Ec (MPa) 25 23.500 16 18.800 Fy (MPa) Fu (MPa) 420 630

Pernos de anclaje y conectores de corte

Se utilizó un acero A354 (Fy=896 MPa, Fu= 1.034 MPa) para los pernos de anclaje de la placa  base, con diámetro de 1’’, mientras que para las vigas compuestas se utilizaron conectores de corte de ¾’’ de diámetro y en base a acero ASTM A 108 1015ª, con Fy=350 MPa y Fu=450 MPa.



Lámina colaborante y malla electrosoldada

Capítulo 4: Modelación estructural

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El acero de la lámina colaborante corresponde a un A37-24H, con una tensión de fluencia Fy=240 MPa, según las especificaciones del proveedor CINTAC. La armadura de retracción de la losa colaborante corresponde a una malla electrosoldada de acero AT56-50H, con Fy=500 MPa y Fu=560 MPa.

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Electrodos de soldadura

Se utilizó para todos los empañmes de columnas un electrodo E7015, con un Fexx=544 MPa. Acero de placas base

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Acero de placas base

Se utilizó un acero A572 Gr50 con un Fy=345 MPa para todas las palcas base, llaves de corte y sillas de anclaje de la estructura, obteniéndose con esta calidad de acero espesores más aceptables  para estos elementos.

4.3 Métodos y cargas de diseño Se utilizó el método de diseño de factores de carga y resistencia “LRFD” ( Load and Resistence  Factor Design) para el diseño de elementos de acero y verificación de losa colaborante y

fundaciones. Para el dimensionamiento de la losa de fundaciones se utilizó el método de las tensiones admisibles “ASD” ( Allowable Stress Design).

Por otro lado, las cargas utilizadas en el análisis y verificación de la estructura son las siguientes:

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Sobrecargas de uso (L) y techo (Lr)

La carga de uso para edificios de oficinas públicas y privadas con equipos corresponde a 5 k N/m2, mientras que la sobrecarga para techos con acceso peatonal es de 2 k N/m2 de acuerdo a la tabla 4 de la norma NCh 1537 (INN, 2009).

Capítulo 4: Modelación estructural

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Cargas muertas (D)

El peso propio de los elementos que componen la estructura es calculado automáticamente por el  software ETABS. En el caso de la losa colaborante, se debe agregar manualmente al modelo el

 peso de elementos no estructurales y terminaciones considerando un valor 1,9 k N/m2 para las losas de entrepiso y 0,45 k N/m2 para la losa de techo.

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Cargas de viento (W)

La carga de viento se obtiene de la tabla 1 de la norma NCh 432 (INN, 1971), la cual entrega la  presión básica del viento a distintas alturas. Considerando los 27,2 metros de altura del edificio se obtiene una presión básica de 0,94 k N/m2. Luego, para obtener la carga de viento por metro lineal se debe multiplicar esta presión por un factor de forma (0,8 para barlovento y 0,4 para sotavento) y por el ancho tributario de cada columna.

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Cargas sísmicas (E)

Se realizó un análisis modal espectral descrito en la norma NCh 433 (INN, 1996). Los parámetros utilizados para generar el espectro de diseño corresponden a los estipulados desde la tabla 6.1 a la tabla 6.3 de la norma, los cuales se presentan en la TABLA, donde Ao es la aceleración efectiva, g corresponde a la aceleración de gravedad, S, To, T’, n y p corresponden a parámetros que dependen del tipo de suelo, I es el factor de importancia del edificio que depende de la categoría de ocupación y R y Ro son los factores de modificación de la respuesta para una estructura en base a diagonales restringidas al pandeo. Los factores de modificación de la respuesta para éste tipo de estructuras no están definidos en la norma chilena, por lo que se realizó una equivalencia entre el factor R definido en la norma ASCE-7-10 para estructuras BRBF, el cual corresponde a un R=8 TERMINAR CON FUNDAMENTOS DEL USO DE R TABLA CON PARAMETROS SISMICOS

Capítulo 4: Modelación estructural

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Además, se agrega como contribución a la masa sísmica un 50% de la sobrecarga de uso del edificio de acuerdo a la sección 5.5.1 de la norma NCh 433 (INN, 1996)

4.3.1

Combinaciones de carga

A partir de la norma NCh 433 (INN, 1996) Mod.2009, las combinaciones de carga para los métodos LRFD y ASD se obtienen de la norma NCh 3171 (INN, 2010) y se presentan en la Tabla ASD, donde D es la carga muerta, L es la sobrecarga de uso, Lr es la sobrecarga de techo, W es la carga de viento, E es la carga sísmica, S es la carga de nieve y R es la carga de lluvia. Tabla 4.3 Combinaciones de carga para método LRFD y ASD

N° 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Método LRFD Método ASD 1,4D D 1,2D+1,6L+0,5(Lr o S o R)+L D+L 1,2D+1,6(Lr o S o R)+L D+(Lr o S o R) 1,2D+1,6(Lr o S o R)+0,8W D+0,75L+0,75(Lr o S o R) 1,2D+1,6W+L+0,5(Lr o S o R) D+W 1,2D+1,4E+L+0,2S D+E 0,9D+1,6W D+0,75W+0,75L+0,75(Lr o S o R) 0,9D+1,4E D+0,75E+0,75L+0,75S 0,6D+W 0,6D+E

4.4 Normas y manuales de diseño

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Elementos de acero

La verificación de vigas y columnas se realizó de acuerdo al manual AISC 360-10 (AISC, 2010a). Todas las vigas se verificaron como compuestas a la losa colaborante, como indica el Capítulo I del AISC 360-10 (AISC, 2010a), mientras que las columnas al ser elementos en compresión, se verificaron de acuerdo al capítulo E del AISC 360-10 (AISC, 2010a). Con respecto a diagonales

Capítulo 4: Modelación estructural

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restringidas al pandeo, se verificó según el manual AISC 341-10 (AISC, 2010a), el cual recomienda verificar las columnas cumplan con la condición de ser sísmicamente compactas de acuerdo a la Tabla D1.1 del AISC 341-10 (AISC, 2010a), lo cual se presenta en la Sección ASD. Además, en el edificio comparativo se verificaron las diagonales a compresión y que éstas fueran sísmicamente compactas.

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Elementos de hormigón armado

La verificación de losas se realizó según el manual de diseño del Steel Deck Institute (SDI, 1987) complementado con los capítulos 10 y 11 del código ACI 318-08ASD. El dimensionamiento de las fundaciones se hace para satisfacer la tensión admisible del suelo de fundación.

4.5 Consideraciones en elementos estructurales

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Vigas

Las vigas se modelan como elementos simplemente apoyados mediante la generación de rótulas en sus extremos. De esta manera, se considera que las vigas no traspasan esfuerzos de momento a los elementos adyacentes, materializando estas uniones mediante conexiones de corte como se especificó en la Sección 3.5.

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Columnas

Las columnas se modelan como elementos simplemente apoyados a nivel basal traspasando solo esfuerzos axiales y de corte al pedestal. Para la verificación de elementos se considera el coeficiente de longitud efectiva y los factores de longitud no arriostrada igual a uno para todas las columnas del edificio. Además, la verificación de capacidad de las columnas se realizó mediante la opción Steel frame design que posee el software ETABS.

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Diagonales

El edificio posee marcos arriostrados concéntricamente con diagonales restringidas al pandeo. Éstas se modelan como barras biarticuladas tipo Links que poseen solamente rigidez axial. La verificación de estos elementos no posee una herramienta dedicada dentro del software ETABS,  por lo que se realiza de acuerdo a lo especificado en Fermandois (2009), detallado en la Sección 2.6 de este informe.

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Losa colaborante

La losa colaborante se modela como un elemento de área tipo Deck , asumiendo un comportamiento de membrana sin rigidez fuera de su plano. La malla de elementos finitos se realiza automáticamente y se asume que la losa colaborante de este edificio se comporta como diafragma rígido puesto que cumple con lo establecido en la sección 12.3.1.2 del ASCE-7-2005, donde se tiene una razón de lados menor a o igual a 3 y no se presenta ninguna irregularidad en planta

4.6 Conclusiones