Diseño sísmico de estructuras de acero: principios y prácticas

El acero es el material estructural preferido en las zonas de terremotos por una razón fundamental: la ductilidad. A diferencia del hormigón, que es frágil en tensión y requiere refuerzo para lograr la ductilidad, el acero estructural es inherentemente ductile. Una estructura de acero adecuadamente diseñada y detallada puede sufrir grandes deformaciones inelásticas sin colapsar, disipar la energía sísmica a través de rendimiento controlado. Esta es la razón por la que las estructuras de acero han tenido un rendimiento excepcional en los grandes terremotos en todo el mundo, desde el terremoto de Kobe de 1995 hasta el terremoto de Wenchuan de 2008.

Sin embargo, la ductilidad no es automática. Una estructura de acero poco detallada una con capacidad de conexión inadecuada, una delgadez insuficiente de los sujetos o soldas que carecen de resistencia puede fallar catastróficamente. El diseño sísmico se trata de garantizar que cuando el suelo se sacudirá, la estructura produzca donde se quiere, no donde no se quiere. Este artículo cubre los principios y requisitos detallados que hacen que las estructuras de acero funcionen bajo carga sísmica, con referencia al código sísmico chino GB 50011 y a las normas internacionales.

1. Filosofía del diseño de capacidades

La base del diseño sísmico moderno es diseño de la capacidad una filosofía que controla deliberadamente la secuencia de rendimiento en una estructura. El principio es simple: diseñar la estructura de modo que los elementos ductiles rendan (absorban energía) antes de que los elementos frágiles fallen. Esto se logra asegurando que la capacidad de rendimiento del elemento ductile exceda la demanda de fuerza, y que los elementos no ductiles (conexiones, columnas, fundaciones) tengan una capacidad que exceda la fuerza máxima que el elemento ductile puede entregar no la fuerza calculada por código, sino la fuerza de la fuerza. de hecho fuerza, que incluye la fuerza excesiva.

En el GB 50011 (Código de diseño sísmico de edificios), el principio de diseño de capacidad se aplica mediante el factor de sobrefortación (Ω) y el coeficiente de estructura (α)._máximoEl factor de resistencia excesiva representa la diferencia entre la capacidad real de los miembros (que incluye la capacidad excesiva de material, endurecimiento por tensión y redundancia) y la capacidad de diseño.

En la práctica, esto significa que si un haz tiene una capacidad de flexión de 200 kN·m, su capacidad máxima probable (incluida la sobrefuerza) es de 240-270 kN·m. La conexión debe estar diseñada para resistir 270 kN·m, no 200 kN·m , de lo contrario, la conexión fallará antes de que el haz dé resultados, que es un modo de falla frágil.

2. Clases de ductilidad: Clase I, II y III por GB 50011

GB 50011 clasifica las estructuras de acero en tres clases de ductilidad en función de la intensidad sísmica del sitio y de la importancia del edificio:

Clase I (Ductilidad más alta)

Requerido para edificios de las zonas de intensidad sísmica 8 y 9 (aceleración básica de diseño ≥ 0,20g) y para edificios importantes (hospitales, escuelas, centros de emergencia) en todas las zonas. Las estructuras de clase I deben alcanzar un factor de comportamiento (q) de 6,5-8,0, lo que significa que pueden ser diseñadas para fuerzas 6,5 a 8,0 veces inferiores a la fuerza de respuesta elástica. Esto requiere:

• Conexiones de soldadura con soldadura de ranura de penetración completa y barras de apoyo continuas
• Las placas de base de columna diseñadas para la capacidad de momento plástico de la columna
• Los límites de la relación anchura- espesor para los elementos altamente comprimidos (por ejemplo, la flangera b/t ≤ 8 para Q355)
• En el caso de las zonas de bisagras de plástico, las zonas de bisagras de plástico deben estar sujetas a un punto de inclinación que no exceda la longitud de la bisagra de plástico.

Clasificación II (ductilidad moderada)

Requerido para edificios en la zona de intensidad sísmica 7 (aceleración básica de diseño 0,10-0,15 g).

• Conexiones con soldadura o con un volumen superior al de diseño de los miembros
• Las bases de columna diseñadas para el momento de diseño (no para el momento de plástico)
• Los límites de la relación anchura- espesor para los elementos moderadamente comprimidos (b/t ≤ 10 para Q355)
• Las relaciones de delgadez de los sujetos limitadas a 120-150

Clase III (Ductilidad limitada)

Acceptable para edificios en la zona de intensidad sísmica 6 (aceleración básica de diseño ≤ 0,05 g) y para estructuras poco importantes. Los detalles de conexión estándar y las proporciones de anchura a grosor son aceptables.

Grado y ductilidad del acero

La elección del grado de acero interactúa con la clase de ductilidad. Los aceros de mayor grado (Q420, Q460) tienen una ductilidad más baja y una mayor relación rendimiento-atracción, lo que reduce la longitud de la meseta de rendimiento y la capacidad de rotación inelástica disponible. Para las estructuras de clase I, GB 50011 recomienda limitar el grado de acero a Q355 o Q390 a menos que las pruebas especiales demuestren una ductilidad adecuada. La relación rendimiento-atracción no debe exceder de 0,85 para la clase I y 0,90 para la clase II.

3. Sistemas estructurales de resistencia sísmica

Tres sistemas laterales de resistencia a la fuerza dominan el diseño sísmico de la estructura de acero: marcos resistentes al momento (MRF), marcos con braza concentrical (CBF) y marcos con braza excéntrica (EBF).

3.1 Enmarcos resistentes al momento (MRF)

En un MRF, las conexiones de viga a columna están diseñadas para resistir los momentos, creando un marco que resiste a las cargas laterales a través de la flexión de viga y columna. La energía sísmica se disipa a través de bisagras de plástico que se forman en los extremos del viga (o en una sección de viga deliberadamente debilitada llamada "hueso de perro" o RBS Sección de viga reducida).

Las ventajasLos MRF proporcionan planos de piso abiertos sin interferencias de los sujetadores, lo que los hace ideales para edificios de oficinas, escuelas y hospitales.Tienen una excelente ductilidad (factor de comportamiento q = 6,5-8,0 para la clase I) y su rigidez post-rendimiento proporciona redundancia.

DesventajasLos límites de deriva interplante en el GB 50011 (1/250 para elástico, 1/50 para el elastóptico para edificios importantes) a menudo regulan el tamaño de los miembros, no la resistencia. Esto hace que los MRF sean caros para edificios de más de 6 pisos porque los tamaños de miembros requeridos para el control de la deriva son significativamente mayores que los requeridos para la resistencia sola.

Detalles de conexiónEl detalle crítico en el diseño sísmico de MRF es la conexión de haz a columna. La investigación posterior a Northridge (1994) y posterior a Kobe (1995) demostró que las conexiones de la red de soldadura con pared de la flange son vulnerables a la fractura frágil en la soldadura.

• Sección de haz reducido (RBS / hueso de perro): Se corta deliberadamente una sección de la flange de vigas cerca de la columna, forzando la bisagra de plástico a formarse en la sección reducida, lejos de la soldadura.
• Conexión reforzada: La flanja de vigas se refuerza con placas de cubierta o con ganchos en la columna, fortaleciendo la conexión para que la bisagra de plástico se forme en la franja de vigas no reforzada.
• Conexión de placa final con bolsasLa banda de soldadura de la planta de la fábrica se encuentra en el centro de la fábrica, donde se sujeta una placa final gruesa al haz y se conecta con la columna en el campo.

3.2 Marcos con brazales concéntricos (CBF)

En un CBF, los aparatos de apoyo diagonales se disponen en una geometría concéntrica los aparatos, vigas y columnas se encuentran en nodos comunes. Las fuerzas laterales se resisten principalmente a través de la tensión axial y la compresión en los aparatos. Los CBF son más rígidos que los MRF (generalmente 3-5 veces más rígidos para los mismos tamaños de miembros), por lo que son más eficientes en la deriva y adecuados para edificios más altos.

Configuraciones de los sujetadoresLas configuraciones más comunes son el abrazamiento X (cross), el abrazamiento V, el invertido V (chevron) y el diagonal. En el diseño sísmico, el abrazamiento X es preferido porque tanto los abrazamientos de tensión como los abrazamientos de compresión contribuyen a la resistencia lateral, proporcionando redundancia.

Estilosidad de los sujetadoresEl ratio de delgadez (KL/r) de los aparatos de sujeción es crítico. Los aparatos de sujeción delgados (KL/r > 120) se abalanzan a bajas cargas y tienen un mal comportamiento después de abalanzarse, perdiendo una capacidad significativa.

• Estructuras de clase I: KL/r ≤ 120 para Q355, KL/r ≤ 100 para Q390 y superior
• Estructuras de clase II: KL/r ≤ 150
• Estructuras de clase III: KL/r ≤ 180

Proporción entre anchura y grosorPara los aparatos de corte H, la relación de la brisa b/t no debe exceder de 8 (Q355) para la clase I, y la relación de la telaraña h/t no debe exceder de 25. Para los aparatos tubulares, la relación diámetro- espesor (D/t) no debe exceder de 30 para la clase I. Nuestro componentes de columna cruzada a caja se diseñan para cumplir con estos requisitos de compactitud.

Disposición de energíaLos CBF disipan energía a través de la tensión de los sujetos y la inclinación en la compresión. La inclinación de los sujetos es ductile y predecible. La inclinación de los sujetos es menos predecible y puede causar fractura de los sujetos después de unos ciclos. Por esta razón, los CBF tienen un factor de comportamiento menor (q = 4.0-5.0) que los MRF.

3.3 Enmarcos con frenado excéntrico (EBF)

En un EBF, los aparatos se desplazan intencionalmente del centro del nodo, creando un segmento de haz corto (el "enlace") entre la conexión del aparato y la columna o el aparato adyacente.

Comportamiento de enlace: La longitud del enlace determina el modo de rendimiento:

• Enlaces cortos (e ≤ 1,6 M)_{el número de}- V y_{el número de}): Rendimiento en el corte. Alta disipación de energía, muy ductile.
• Enlaces intermedios 1,6 M_{el número de}- V y_{el número de} < e ≤ 2.6 M_{el número de}- V y_{el número de}): Rendimiento en la combinación de corte y flexión.
• Enlaces largos (e > 2,6 M)_{el número de}- V y_{el número de}): Rendimiento en la flexión. Disposición de energía menor pero todavía adecuada.

donde e es la longitud del enlace, M_{el número de} es la capacidad del momento plástico, y V_{el número de} es la capacidad de corte de plástico del enlace.

Ventajas respecto a la FPC: Los EBF combinan la rigidez de los CBF (los aparatos proporcionan resistencia lateral) con la ductilidad de los MRF (el enlace proporciona una disipación de energía estable). El factor de comportamiento de los EBF (q = 5.0-6.5) es mayor que el de los CBF, lo que significa que las fuerzas de diseño son más bajas para el mismo peligro sísmico.

DetallesEl enlace debe estar sujetado lateralmente en ambos extremos para evitar el enrolamiento lateral-torsional. La conexión de enlace a columna y la conexión de enlace a haz deben estar diseñadas para la capacidad de fuerza excesiva del enlace (1.25 veces el corte máximo probable del enlace). Se requieren fijantes dentro del enlace a intervalos no superiores a la profundidad del enlace para evitar el enrolamiento de la red.

4. Dissipadores de energía: más allá de la ductilidad pasiva

Para las estructuras en zonas sísmicas altas o con objetivos de rendimiento especiales (operativos después de un terremoto, daños mínimos), los dispositivos de disipación de energía pasiva pueden complementar la ductilidad inherente de la estructura de acero.

4.1 Los sujetos de sujeción a la inclinación (BRB)

Un BRB es un núcleo de acero (placa plana o sección cruciforme) envuelto en un tubo de acero lleno de hormigón que evita que el núcleo se doble en la compresión. El resultado es un soporte que produce tanto en tensión como en compresión con el mismo comportamiento de deformación de fuerza, eliminando la asimetría que afecta a los CBF convencionales.

Los BRB ofrecen varias ventajas sísmicas:

• Hysteresis simétrica: Igual capacidad en tensión y compresión, proporcionando una disipación de energía estable durante muchos ciclos.
• Factor de comportamiento más alto: q = 7,0-8,5 para los marcos BRB, en comparación con 4,0-5,0 para los marcos CBF convencionales.
• Fuerza de rendimiento designable: La sección transversal del núcleo puede dimensionarse con precisión para controlar la fuerza de rendimiento, lo que permite al diseñador ajustar la respuesta sísmica de la estructura.
• ReemplazabilidadDespués de un terremoto importante, los BRB pueden ser desbocados y reemplazados, restaurando la estructura a su capacidad original sin reparación estructural.

El diseño de los marcos BRB sigue el principio de diseño de capacidad: el soporte, el haz, la columna y las conexiones están diseñados para la capacidad de fuerza excesiva del BRB (1.3 veces la fuerza de rendimiento, teniendo en cuenta el endurecimiento de la tensión).

4.2 Ampliación de líquidos viscosos

Los amortiguadores viscosos son cilindros hidráulicos que resisten al movimiento a través del flujo del orificio del fluido, generando una fuerza proporcional a la velocidad. A diferencia de los BRB, que se activan por desplazamiento (se activan cuando la estructura se deforma), los amortiguadores viscosos se activan por velocidad (se activan cuando la estructura se mueve rápidamente, lo que es exactamente lo que sucede en un terremoto).

Las ventajas de los amortiguadores viscosos incluyen:

• No hay umbral de rendimiento: Disparten energía en cualquier desplazamiento, incluidas pequeñas vibraciones del viento o del tráfico.
• Independencia de la temperaturaA diferencia de los amortiguadores viscoelésticos, los amortiguadores de fluidos no se ven afectados por la temperatura ambiente.
• Inspección mínima después de terremotosSi el indicador de golpe del amortiguador muestra desplazamiento dentro del rango de diseño, el amortiguador es funcional.

Los amortiguadores viscosos se instalan típicamente como elementos de soporte diagonal o de chevron, reemplazando los soportes convencionales de acero.

F = C · v^α

donde C es el coeficiente de amortiguación (normalmente 500 a 5.000 kN··s/m)^α), v es la velocidad, y α es el exponente de velocidad (0.15-0.35 para aplicaciones sísmicas). El exponente bajo significa que la fuerza amortiguadora aumenta lentamente con la velocidad, evitando fuerzas excesivas a altas velocidades mientras proporciona amortiguamiento sustancial a velocidades moderadas.

5. Diseño y detalle de conexión para el rendimiento sísmico

Las conexiones son el lugar donde las estructuras sísmicas de acero tienen éxito o fallan. conexión fuerte, miembro débil la conexión debe ser más fuerte que el miembro que se une, de modo que la rendimiento se produzca en el miembro (ductilo) en lugar de en la conexión (potencialmente frágil).

Conexiones soldadas

Las soldas de ranura de penetración completa en las conexiones de viga a columna deberán utilizarse Soldadura de arco con cor de flujo (FCAW) o soldadura de arco de metal protegido (SMAW) El metal de soldadura debe tener una dureza CVN de al menos 27 J a −20 °C (para estructuras de clase I) para evitar fracturas frágiles bajo carga sísmica, que puede incluir altas tasas de tensión a bajas temperaturas.

Las barras de apoyo (barras de acero colocadas detrás de la raíz de soldadura para apoyar el primer paso) deben ser eliminadas y la raíz de paso vuelva a ser doblada y reelaborada para conexiones de clase I. Esto se debe a que la barra de apoyo crea una concentración de estrés y un posible sitio de inicio de grietas en la raíz, que se identificó como la causa principal de fallos de conexión en el terremoto de Northridge de 1994.

Conexiones con bolsas

Las conexiones de perforación críticas (en las que la carga se transfiere por fricción entre las superficies de corte, no por corte de perforación) son preferidas para aplicaciones sísmicas porque proporcionan una conexión más predecible y más rígida que las conexiones de tipo rodante.

V_{deslizamiento} = μ · n · P_{el bolígrafo}

donde μ es el coeficiente de deslizamiento (0,45-0,50 para superficies de arena), n es el número de interfaces de fricción (1 para la simple corte, 2 para la doble corte), y P_{el bolígrafo} El coeficiente de deslizamiento y la pretensión de los pernos son elevados y proporcionan una conexión que no se desliza bajo cargas de servicio y sólo se desliza (rendimiento) bajo fuerzas de fuerza sísmica excesiva.

Diseño de la zona del panel

En conexiones de momento, la zona del panel de columna (la zona de la red entre las flanges del haz) debe resistir el corte combinado de los momentos del haz. Una zona del panel que es demasiado delgada dará prematuramente, causando deformación excesiva. Una zona del panel que es demasiado gruesa forzará a rendir en el haz, que es el comportamiento deseado. GB 50011 especifica que la zona del panel debe tener una capacidad de corte de 0,9 veces la suma de los momentos de plástico del haz dividido por la altura de la planta lo suficientemente fuerte como para evitar la deformación excesiva de la zona del panel, pero no tan fuerte que el haz no pueda rendir.

Para nuestro sistema de construcción integrado de acero (véase nuestro página de construcción integrada de acero), utilizamos columnas de caja con placas de doble en la zona del panel, diseñadas según los requisitos de GB 50011 y verificadas por análisis de elementos finitos no lineales para confirmar la secuencia de rendimiento.

6. Selección y calidad de los materiales para las estructuras sísmicas

El material de acero en sí mismo debe cumplir requisitos específicos para aplicaciones sísmicas:

• Relación entre rendimiento y tensión: ≤ 0,85 para la clase I, ≤ 0,90 para la clase II. Esto garantiza una larga tasa de rendimiento antes de la falla de tracción, proporcionando la capacidad de deformación inelástica necesaria para la disipación de energía.
• ElongamientoEl aumento de la longitud se correlaciona con la ductilidad.
• Resistencia al impacto: CVN ≥ 27 J a −20°C para los miembros primarios en estructuras de clase I. La carga sísmica puede producir tasas de tensión de 10^-1 de 10 a⁰ La resistencia a baja temperatura proporciona margen.
• Propiedades de espesor de translucidez: Para las articulaciones T y las conexiones cruciformes en tensión, Z35 (35% reducción de superficie mínima) para evitar la ruptura de las lámparas.

7. Un enfoque de diseño basado en el rendimiento

El diseño sísmico moderno está avanzando más allá del enfoque tradicional basado en la fuerza (donde la estructura está diseñada para una fuerza especificada por código) hacia diseño basado en el rendimiento, donde la estructura está diseñada para cumplir objetivos de rendimiento específicos en niveles de peligro definidos.

• Nivel 1 (terremotos frecuentes, probabilidad del 63% en 50 años)La estructura permanece esencialmente elástica, sin daños, ocupación inmediata.
• Nivel 2 (terremoto de diseño, probabilidad del 10% en 50 años)La estructura de los elementos de los fusibles designados daños reparables seguridad de la vida.
• Nivel 3 (terremotos raros, probabilidad de 2-3% en 50 años)La estructura se somete a una deformación inelástica significativa pero no se desmorona.

El diseño basado en el rendimiento utiliza un análisis no lineal de la historia temporal para verificar que la estructura cumple con estos objetivos. Para nuestros proyectos en zonas sísmicas altas, realizamos análisis no lineal utilizando modelos de elementos de fibra que capturan el comportamiento de rendimiento, acoplamiento y fractura de los miembros y conexiones individuales. Esto va más allá de los requisitos del código, pero proporciona la confianza de que la estructura funcionará como se diseñó bajo la gama completa de movimientos terrestres potenciales del terremoto.

Conclusión

El diseño sísmico de estructuras de acero es un sistema de decisiones interrelacionadas: selección de clases de ductilidad, elección de sistemas estructurales, detalle de conexión, especificación de materiales y verificación de rendimiento. La filosofía de diseño de capacidad asegurando que los elementos ductiles dan antes de que los elementos frágiles fallen es el hilo que corre a través de todas estas decisiones. La ductilidad inherente del acero lo convierte en el mejor material para estructuras resistentes a terremotos, pero solo cuando los detalles son correctos.

Nuestro equipo de ingeniería ha diseñado y fabricado estructuras de acero para proyectos en toda China, incluyendo instalaciones en las zonas de intensidad sísmica 7 y 8. Tenemos cualificaciones de Clase Especial para la fabricación de estructuras de acero, y nuestros detalles de conexión sísmica han sido verificados a través de pruebas de laboratorio y análisis no lineales. contacte con nuestro equipo de ingeniería para discutir la clase de ductilidad, el sistema estructural y los detalles de conexión apropiados para su sitio y tipo de edificio.