Evaluación de marcos de acero arriostrados con elementos autocentrantes en Chile

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2021-03

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Universidad de Valparaíso

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Escuela de Ingenieria Civil

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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.

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Auspiciador

Palabras clave

ACERO, CHILE, NORMA NCH 433

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