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Diseño y comparación de demandas de ductilidad para un edificio estructurado con marcos y uno con estructuración mixta
(Universidad de Valparaíso, 2012-05) Gutiérrez Muñoz, Cristian Andrés; Morales Gómez, Alejandro
Tomando en cuenta la frecuencia de eventos sísmicos que afectan a nuestro país, la tendencia de disminuir y/o eliminar secciones de muros en plantas de estructuras (requiriendo luces libres cada vez mayores), y que las construcciones estructuradas con marcos cada vez se incrementa; se hace muy importante dotar de una adecuada ductilidad a las estructuras, a través de una correcta estructuración y un adecuado diseño de elementos resistentes, a fin de que cumplan satisfactoriamente con las probables demandas que los sismos les impongan. Al comparar las envolventes de desplazamientos absolutos de las estructuras, producto de los diferentes registros sísmicos analizados, se observa que en la estructura con marcos se alcanzan los máximos valores, no sobrepasando el 0,61 % de la altura total del edificio, lo que equivale a 0,24 [m]. En cambio, en la estructura mixta, los mayores desplazamientos laterales no sobrepasan al 0,51 % de la altura total, lo que equivale a 0,20 [m]. Cabe mencionar que las diferencias entre los desplazamientos absolutos de ambas estructuras, para una misma dirección de análisis, y considerando un mismo registro sísmico, no son significantes; ya que la diferencia máxima alcanzada es de 3,8 [cm]. En el caso del registro sísmico de Viña del Mar, las demandas de ductilidad y desplazamientos de ambas estructuras, resultan similares. Esto sugiere que la respuesta de ambos casos está muy cercana al rango elástico.
Diseño y optimización paramétrica de superestructuras de puentes con vigas de acero simplemente apoyadas
(Universidad de Valparaíso, 2022-07) Larenas, Eduardo Yamil; González Blacud, Juan Carlos
Conocida es la fragmentada geografía que posee nuestro país y la resultante necesidad de sobrepasar esta condición es suplida, en gran medida, por puentes. Adicionalmente, muchos de estos obstáculos naturales se encuentran en zonas específicas, frecuentemente, de difícil acceso para hormigonar. En este sentido, los puentes con vigas de acero simplemente apoyadas de tramo simple o continuo son una solución factible y eficaz, considerando que cumplen con su principal función la cual es, otorgar conectividad y, muchas veces, reintegrar a porciones de la sociedad más alejadas de su centro. Internacionalmente, para el análisis y diseños de puentes, se consideran las normativas dispuesta por la “American Association of State Highway and Transportations Officials” (AASHTO por sus siglas en ingles), la cual establece la norma Estándar, basada en un principio de esfuerzos admisibles (ASD) y por factores de carga (LFD) y la norma por factores de carga y resistencia (LRFD), la que incluye cambios sustanciales en los procesos matemáticos que determinaron los factores a aplicar a las cargas y la resistencia nominal de los elementos con el objetivo de ajustarlos más a la realidad y que a su vez cumplieran con el fin de proveerle un margen de seguridad adecuado a la estructura. Adicionalmente, la norma LRFD, propone un modelo de cargas móviles denotado HL-93, compuesto por tres tipos de cargas, mientras que, la normativa por esfuerzos admisibles detalla dos tipos de cargas móviles y especifica que se debe trabajar con la más desfavorable. Por otro lado, la norma LRFD establece que los elementos de la estructura deben satisfacer distintos Estados limites que representan la operación del puente ante distintos tipos de solicitaciones. En lo que se refiere al análisis seccional de tableros de puentes compuestos por vigas metálicas y losa de hormigón, para determinar la resistencia nominal a la flexión, ambos documentos presentan metodologías similares, basadas en el análisis de secciones compuestas derivado de la teoría de Resistencia de materiales, por lo cual los resultados obtenidos por ambas normativas son parecidos. En nuestro país, la dirección de vialidad del Ministerio de Obras Publicas estableció como norma nacional a la Estándar la cual se debe complementar con el capítulo 3.1000 del Volumen 3 del Manual de Carreteras. En este manual se dejan muchos puntos del análisis y diseño a criterio del proyectista, incluso en la elección de la filosofía que servirá como base del diseño, considerando a la de factores de carga y resistencia una alternativa a las filosofías estándar. Aunque, se menciona que solo una normativa debe utilizarse para el diseño de toda la estructura. Debido a lo anterior, surge la interrogante en relación con las diferencias que presentan las normas en el diseño de la superestructura de puentes de vigas de acero con losa de hormigón y las ventajas y/o desventajas de su aplicación. Por lo mismo, en este trabajo de título se presentarán las disposiciones, especificaciones y verificaciones de las normas AASHTO Estándar (2002) y LRFD (2017) y los diseños resultantes de puentes de distintas luces con el objetivo de resolver, en la medida de lo posible por medio de comparaciones, esta cuestión. En esta misma dirección, una vez resuelta la disyuntiva de que metodología es más adecuada para el diseño de estas estructuras, se busca automatizar el análisis y diseño elaborando un modelo de optimización paramétrica cuyos resultados serán obtenidos por medio de la programación completa que trae el software Matlab de técnicas heurísticas derivadas de la computación evolutiva (Algoritmos genéticos).
Evaluación de Marcos con Sistemas Mixtos de Arriostramientos para Edificios de Baja Altura en Chile
(Universidad de Valparaíso, 2022-01) Orellana González, Nicol Esperanza; González Blacud, Juan Carlos
En Chile sin lugar a duda son importantes los materiales de hormigón armado y acero estructural para la confección de estructuras. Sin embargo, según datos entregado por el Instituto Chileno del Acero (ICHA) no es muy recurrente que se utilice el acero en edificios de uso habitacional, esto debido a que se requiere una mano de obra de mayor precisión y que la arquitectura en Chile se encuentra más calificada para los diseños de hormigón armado [1]. No obstante, el acero estructural se ha implantado como material constructivo en edificios de uso industrial, es decir en bodegas y plantas productivas en Chile, dado que es un material resistente y dúctil, por lo que facilitaría el diseño sismorresistente impuestos por los códigos de diseño [2]. Sobre esta base, el presente trabajo centra su análisis en marcos arriostrados de acero para estructuras de uso industrial, específicamente, oficinas. En lo que respecta al diseño sismorresistente, éste puede ser implementado mediante una demanda sísmica a base de desplazamientos, energía o fuerzas, siendo esta última la más utilizada puesto que se define a partir de espectros de aceleraciones a base de las propiedades dinámicas de la estructura. Análogamente, en todo proyecto estructural debe de considerarse un diseño por capacidad ya que los elementos deben ser capaces de resistir las fuerzas que se producen bajo un sismo evitando fallas frágiles. En definitiva, los conceptos de resistencia, rigidez y ductilidad en el diseño de las estructuras es lo primordial, dado que la edificación debe contar con la capacidad de deformarse lateralmente, absorber y disipar energía sin colapsar [3]. La normativa vigente en Chile para cumplir dichos principios corresponde ser la NCh433.Of.96.mod2012 [4] “Diseño Sísmico de Edificios” para el análisis sísmico, al igual que la NCh3411:2007 “Diseño sísmico de edificios con sistemas pasivos de disipación de energía – Requisitos y métodos de ensayo” [5], además de, las normas estadounidenses redactadas por el Instituto Americano de la Construcción en Acero (AISC341-16 [6] y AISC360-16 [7]). Por otra parte, existen estudios previos que señalan un buen comportamiento en estructuras de acero que en sus diseños incluyen sistemas disipadores de energía, que, si bien no evitan el ingreso de la energía traspasada del suelo a la estructura, si permiten que la disipación se concentre en los elementos confeccionados para esos fines [8]. Dentro de las estructuras de acero más comunes para resistir cargas sísmicas se encuentran los marcos especiales arriostrados concéntricamente encontrados en la literatura como “Special Concentrically Braced Frames, SCBF” [9] y los marcos con diagonales restringidas al pandeo o bien llamadas “Buckling Restrained Braced, BRB”; ambos poseen una gran rigidez lateral, gran capacidad de disipación de energía y son estructura de bajo costo. Los modelos SCBF se utilizan y diseñan con la finalidad de disipar la energía a través del pandeo de sus riostras, sin embargo, cuentan con la desventaja que posterior al primer pandeo o mecanismo de fluencia su resistencia y/o rigidez estructural disminuye significativamente por lo que suelen quedar deformaciones residuales en las estructuras. Por el contrario, los modelos BRB pertenecen a un sistema disipador pasivo mecánico de energía, son estructuras más flexibles ya que el área del núcleo de la riostra es más pequeña permitiendo así la fluencia en ella, pero no cuentan con la capacidad de recuperación al momento permitir la primera deformación en la estructura, además que, en Chile no se cuenta con un manual de diseño para reemplazar una diagonal averiada. [10] En resumen, ambas estructuras a pesar de poseer una alta rigidez lateral siempre dejan deformaciones residuales, bajo movimientos sísmicos en vista que no disponen de un mecanismo de recentrado. De acuerdo con lo anterior, es que, en los últimos tiempos se ha propuesto y estudiado un tipo de marco de acero que incluye elementos auto-centrantes (“Self Centering, SC”) siendo su finalidad principal concentrar el daño en elementos estructurales de fácil reemplazo y por sobre todo permite la recuperación de la estructura a su centro de origen. No obstante, estos tipos cuentan con una mínima capacidad para disipar energía trayendo como consecuencia aceleraciones absolutas elevadas en la estructura [11] y [12]. En base a todo lo dicho, es que el presente trabajo de título buscará combinar y diseñar los tipos de marcos arriostrados y elementos auto-centrantes en una misma estructura, pudiendo así establecer un modelo con mejor respuesta estructural ante eventos sísmicos.
Evaluación de marcos de acero arriostrados con elementos autocentrantes en Chile
(Universidad de Valparaíso, 2021-03) Saavedra Hernández, Matías Ignacio; González Blacud, Juan Carlos
Es ampliamente reconocido que no siempre es económicamente aceptable diseñar y construir estructuras convencionales para someterse a fuertes terremotos en el rango elástico [1], exceptuando edificaciones críticas cuyo desempeño así lo exijan. Como consecuencia, la filosofía de diseño actual [2] acepta daños bajo fuertes terremotos, siempre y cuando la estructura sea lo suficientemente dúctil como para incursionar en importantes deformaciones plásticas sin colapsar. La filosofía de diseño descrita puede producir altos costos de reparación, demolición y reemplazo de infraestructura [3]. Debido a ello actualmente, se desarrollan y se sigue investigando sobre sistemas que sean capaces de mitigar los efectos de un terremoto proporcionando una capacidad efectiva de disipación de energía, evitando así los altos costos de reparación que se producen en los elementos estructurales causados por estos sismos de gran magnitud y a su vez, disminuyendo además el riesgo de demolición y de colapso que puede haber en la estructura productos de posibles réplicas [4]. En las edificaciones con estructuras de acero, esto se puede lograr mediante distintos sistemas estructurales resistentes a cargas laterales inducidos por aceleraciones del suelo, como los marcos especiales a momento (del inglés, Special Moment Frame, SMF) los cuales trabajan a flexión y cuya disipación de energía ocurre en las vigas; los marcos concéntricos especiales (del inglés, Special Concentrically Braced Frames, SCBF) donde la plastificación ocurre en las diagonales; y los marcos excéntricos (del inglés, Eccentric Braced Frames, EBF) donde la deformación inelástica ocurre en las denominadas links o vigas de acople. Si bien el funcionamiento y diseño de este tipo de sistemas convencionales difieren entre sí, su objetivo es el mismo: establecer un sistema sismorresistente suministrando una cierta capacidad de disipación de energía de manera que el daño se concentre en los elementos donde ocurre la plastificación, mientras que los otros elementos estructurales se diseñan de acuerdo con los principios del diseño por capacidad para resistir la mayor carga posible de estos elementos inelásticos. Sin embargo, debido a las características inherentes de las estructuras metálicas, después de grandes sismos, se genera una degradación de la resistencia y de la rigidez en zonas donde se genera la plastificación, disminuyendo su capacidad de disipación de energía y aumentando las probabilidades de que la estructura sufra de deformaciones residuales [4]. Existen elementos que permiten una mayor disipación de energía que otros, como es el caso de las riostras con pandeo restringido (Buckling Restrained Braced, BRB) que tienen la característica de evitar el pandeo que ocurre con el sistema convencional, proporcionando una disipación de energía más grande y estable frente a eventos de gran magnitud. Sin embargo, a pesar de que estas BRB estén bien diseñadas y cumplan con su objetivo, son susceptibles a sufrir de deformaciones residuales [5]. Estudios previos han reconocido la importancia de las derivas (drifts) residuales como un índice clave para el diseño de edificios [6], [7] ya que definen la operación continua de los edificios y su reparación después de un terremoto [8]. Los sistemas estructurales que exhiben un excesivo drift residual bajo fuertes sismos pueden ser demolidos incluso si no existe un daño severo o un colapso parcial [4]. Un estudio de McCormick [9] sugiere que, en Japón, un drift residual superior al 0.5% significa que será más costoso reparar un edificio que reconstruirlo. Itawa et al. [10] sugirió que un drift residual máximo de techo del 0.5% o un drift residual máximo entrepiso de 1.1% podría requerir la demolición de edificios de estructuras de acero considerando la perspectiva técnica y económica. Erochko [11] reportó que un edificio de acero que experimenta un drift residual del 0.5% luego de un terremoto, no se comportará de la manera en que se diseñó para un terremoto posterior de diseño. En otro estudio, Ramírez y Miranda [12] establecieron que, incorporando las pérdidas económicas producto de las deformaciones residuales, el total de la estimación de la pérdida económica debido a los daños ocasionados por el sismo aumenta considerablemente. Por lo tanto, la limitación de los drifts residuales de las estructuras sometidas a secuencias sísmicas puede reducir al mínimo los costos de reparación, mantener la integridad estructural general y mejorar la funcionalidad posterior al evento sísmico [4]. Diversos autores [1], [3], [4], [5], [13], [14], [15], [16] han realizados estudios donde incorporan mecanismos autocentrantes (Self-Centering, SC) en estructuras de acero, los cuales, como su nombre lo indican, ayudan a centrar la estructura a su punto de origen después de ocurrido un evento sísmico, eliminando o reduciendo estas deformaciones residuales [5]. Algunos de los dispositivos que pueden cumplir con dicha función de autocentrado son los tendones pretensados, resortes y elementos con aleaciones especiales como los SMA (Shape Memory Alloy). Estos estudios establecen el desempeño sísmico en marcos de acero con dispositivos autocentrantes cuyos resultados establecen la eficacia que tienen estos elementos en términos de desplazamientos con respecto a los sistemas tradicionales y marcos BRB, cuando son sometidos al mismo registro sísmico, proporcionando una menor deformación residual en la estructura y reduciendo así los costos de reparación. Considerando que Chile es un país en vías de desarrollo, donde cada vez se aprecian más edificaciones en altura en las principales ciudades, actores relevantes del mercado del acero han propuesto incentivar su uso hacia la construcción de uso habitacional y comercial [17]. Por lo tanto, la demanda de este material aumentará al igual que la necesidad en la optimización de este tipo de estructuras. Por esta razón, es necesario realizar investigaciones sobre la implementación de nuevas tecnologías que permitan mejorar el desempeño de estas edificaciones frente a sismos chilenos y así diseñar estructuras más seguras y con un menor costo de reparación.
Evaluación de marcos de acero arriostrados con elementos autocentrantes en edificios de mediana altura en Chile
(Universidad de Valparaíso, 2022-01) Fuentes Riquelme, July Andrea; González Blacud, Juan Carlos
La subducción es una actividad convergente del proceso de la tectónica de placas y ocurre cuando una placa con corteza oceánica más densa colisiona con una placa de corteza continental menos densa, es decir, la corteza oceánica desciende por debajo de corteza continental. Chile se ubica mayormente sobre la placa Sudamericana, de tipo continental, que se encuentra en contacto la placa de Nazca, de tipo oceánica. Ambas convergen a una velocidad aproximada de 66 [mm/año] controlando gran parte de la sismotectónica del país. Lo anterior, hace que se produzcan los terremotos de subducción. Dichos terremotos ocurren cuando el esfuerzo compresivo horizontal neto de la zona de contacto, también llamada zona de acoplamiento, entre la placa de Nazca y la Sudamericana supera al acoplamiento mecánico que traba el movimiento de estas, produciéndose así el movimiento relativo de las placas. Considerando de lo anterior, los terremotos de subducción son desastres naturales que habitualmente ocurren en distintas zonas de Chile, pudiendo producir pérdidas económicas, de vidas humanas y daños en la infraestructura debido a las fuerzas laterales que estos imponen sobre las estructuras. Al mismo tiempo, en Chile, como en el resto del mundo, hay una mayor conciencia sobre el impacto negativo de los materiales utilizados para la construcción sobre el medio ambiente y la sociedad. El acero es de los pocos materiales que puede ser reutilizado varias veces sin perder su calidad [4], lo cual ayuda significativamente al medio ambiente y ahorra costos. Sin embargo, en nuestro país una de las razones por las cuales la construcción de estructuras de dicho material no es llamativa porque, ante un evento sísmico de gran magnitud, los desplazamientos laterales entre pisos tienden a sobrepasar los límites fijados por las normas de diseño. Es por ello, que el diseño de las estructuras de acero debe ser tal que, se puedan utilizar posterior a un evento sísmico, ya que si estas quedan con deformaciones residuales excesivas las personas tienen que enfrentarse a costosas tareas de reparación, reconstrucción, demolición y/o reemplazo de infraestructura. Además, se ven afectadas a la interrupción de la actividad comercial traída por el tiempo de inactividad producto de dichas deformaciones. En vista y consideración de lo anterior es que, en las últimas décadas uno de los temas más discutidos ha sido el control del comportamiento estructural contra eventos sísmicos de gran magnitud en edificaciones con estructuras de acero. Lo anterior, a través de un buen manejo de la disipación de energía y un buen control sobre las deformaciones residuales. En este tipo de edificaciones lo anterior se puede lograr con el uso de diversos sistemas estructurales resistentes a cargas laterales inducidas por aceleraciones del suelo, como por ejemplo: los marcos concéntricamente arriostrados (SCBF), los marcos excéntricamente arriostrados (EBF), los marcos especiales a momento (SMF), etcétera, los cuales están diseñados de manera tal que, les den capacidad de desplazamiento, al mismo tiempo que limita las fuerzas sísmicas inducidas en la estructura. Los marcos con diagonales de pandeo restringido o dispositivos BRB (del inglés Buckling Restrained Braces) son un tipo de marco que evita que la riostra se pandee local o globalmente durante las solicitaciones de cargas cíclicas axiales que se aplican en las diagonales, permitiendo la fluencia del elemento ya sea en estado de tracción o compresión. Lo anterior, le permite a este sistema tener una capacidad de disipación de energía mayor y más estable frente a eventos sísmicos de elevadas magnitudes.

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Examinando Facultad de Ingeniería por Materia "ACERO"

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