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8/19/2019 01-HRL-DESEMPEÑO

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DEL 24 AL 27 DE NOVIEMBRE DE 2015, ACAPULCO, GUERRERO, GRAND HOTEL

SOCIEDAD MEXICANA DE INGENIERÍA SÍSMICA A. C.

DESEMPEÑO SÍSMICO DE EDIFICIOS A BASE DE CONTRAVENTEOSRESTRINGIDOS CONTRA PANDEO

Héctor E. Rodríguez Leyva (1) , Edén Bojórquez Mora (1) , Héctor E. Rodríguez Lozoya (1) , Gustavo Palazzo(2)

1 Universidad Autónoma de Sinaloa, Ciudad Universitaria Ave. De Las Américas Y Blvd. Universitarios S/N, C.P. 80040,

Culiacán, Sinaloa ([email protected], [email protected] , [email protected]).2 Ceredetec, Facultad Regional Mendoza, Universidad Tecnológica Nacional, Rodríguez 273 (5500), Ciudad de Mendoza,

Argentina ([email protected] ).

RESUMEN

El objetivo del presente trabajo es estimar el desempeño sísmico de edificaciones de acero a base de contraventeos

restringidos contra pandeo y compararlo con el de edificaciones tradicionales a base de marcos resistentes a momento(MRM). Para ello, las edificaciones de ambos tipos de sistemas estructurales se someten a la acción de varios

movimientos sísmicos representativos del suelo blando de la Ciudad de México. Se observa que para los casos

analizados, el desempeño sísmico de los edificios que cuentan con el sistema de contraventeos restringidos contra

pandeo es muy superior al de los edificios tradicionales.

ABSTRACT

The objective of this study is to compare the seismic performance of steel frame buildings having buckling restrained

braces with moment resisting steel frames. For this aim, the buildings of both type of structural systems are subjected

to several ground motion records representatives of soft soil sites of Mexico City. It is observed that for the analyzed

cases, the seismic performance of the buildings which have buckling restrained braces is superior to the traditional

buildings based on moment resisting frames.

INTRODUCCIÓN

Los grandes terremotos ocurridos recientemente, han puesto en alerta a la comunidad científica en las áreas de

Ingeniería Sísmica, Sismología, Geofísica, etc. En particular, es necesario contar con edificaciones cada día más

seguras ante éste tipo de eventos. Algunos ejemplos de terremotos de gran magnitud recientes son el de Sumatra-

Andamán con una magnitud de momento (Mw) igual a 9.0, el Japón Oriental de magnitud similar al anterior, y el

terremoto de Chile en el año 2010 con una magnitud 8.8 Mw, los cuales han ocasionado pérdidas tanto humanas como

económicas de suma importancia. Es por ello de la importancia de tener estructuras sismo-resistentes capaces de

soportar cargas sísmicas tan grandes.

En los últimos años se han logrado grandes avances en el campo de la ingeniería sísmica alrededor del mundo, graciasa la implementación de sistemas de disipación de energía, los cuales ayudan a las estructuras a controlar

desplazamientos o deformaciones ante la ocurrencia de eventos sísmicos (Uang y Nakashima 2003). Cabe mencionar

que la idea de los sistemas de disipación de energía es concentrar el daño directamente en ellos; en otras palabras, los

disipadores funcionan como un fusible y absorben gran parte del daño estructural (García Torres, 2006). Una forma

efectiva de proteger las estructuras de grandes deformaciones cosiste básicamente en diseñarlas de tal forma que se

pueda hacer un adición de un sistema relativamente novedoso, los contraventeos restringidos contra pandeo (CRP),

que adicionan una mayor rigidez a la estructura y evitan demandas máximas de distorsiones muy grandes (Chen et al.

2004). Algunas razones de importancia por las cuales es conveniente añadir CRP a las estructuras son las siguientes:

mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]


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XX Mexican Congress of Earthquake Engineering Acapulco, 2015

a) disminuir las demandas de distorsión y la fuerza cortante de entrepiso; y b) controlar desplazamientos en los

elementos estructurales que soportan las cargas gravitatorias (Terán y Coeto, 2007).

Por lo anterior, en este trabajo se sometieron edificaciones de acero a base de MRM y edificios equivalentes que

incluyen el sistema de CRP a varios registros símicos del suelo blando del valle de México. Con lo anterior, se estiman

para ambos sistemas las distorsiones máximas de entrepiso. Se demuestra que los edificios que cuentan con el sistemade CRP presentan un comportamiento estructural superior a los edificios a base de MRM.

CONTRAVENTEOS RESTRINGIDOS CONTRA PANDEO

Es un contraviento metálico concéntrico, un elemento estructural que resiste cargas trabajando única y exclusivamente

bajó fuerza axial. A diferencia de un contraviento tradicional concéntrico, los contraventeos restringidos contra pandeo,

como su nombre lo indica no se pandean al someterse a fuerzas axiales de compresión, lo que resulta en una enorme

mejora en su comportamiento, ya que lo convierte en un sistema con una mayor confiabilidad, con una alta capacidad

para la disipación de energía sísmica sin fallar e inducir menores fuerzas en su marco de soporte así como también en

su cimentación. Este disipador de energía sísmica puede controlar el daño en la estructura, concentrando la disipación

en elementos específicos (núcleo del CRP) dentro del sistema, y la idea es que todos los componentes de soporte, vigas

y columnas permanezcan en su comportamiento elástico.

Para proteger las estructuras de los efectos de demandas sísmicas severas, tales como las que se generan a causa de

eventos sísmicos, es mediante el uso de este sistema estructural cuya principal característica se basa en la colocación

de elementos de manera diagonal, los cuales se disponen entre las crujías de los marcos cuyo comportamiento de

fluencia a compresión es similar al comportamiento de fluencia a tensión (Clark et al. 1999). Los contraventeos

restringidos contra pandeo son un sistema estructural innovador que ha sido objeto de un sin fin de estudios, tanto

experimentales como analíticos (Uang y Nakashima 2004). Japón cuenta con múltiples patentes (Uang y Nakashima

2003). Países como Taiwán, Canadá y EE.UU también han llevado a cabo numerosos estudios (Chen et al. 2004).

Los CRP consisten básicamente en un núcleo de acero encamisado por un tubo de acero, el cual se rellena con concreto

o mortero. La función del núcleo de acero es absorber toda la carga axial mientras que el tubo, por medio del mortero,

provee soporte lateral al centro y evita el pandeo global. Se coloca una fina capa de material desadherente a lo largo

del núcleo de acero el cual está en contacto con el mortero para eliminar la transferencia de esfuerzos durante su

acortamiento y alargamiento del centro de acero, y también ajusta su expansión lateral cuando se encuentra encompresión (ver figura 1). Esta capacidad del núcleo de acero para contraerse y alargarse libremente dentro de la

camisa de acero es lo que le da el nombre de contraventeo desadherido (García Torres, 2006). Además, adicionan

amortiguamiento, ya que la camisa de acero tiene un ciclo estable de fluencia (ver figura 2). Como resultado de lo

anterior, una gran cantidad de energía logra ser disipada. Debido a que el comportamiento de los contraventeos

restringidos contra pandeo tienen es inelástico, esto permite al marco principal permanecer en el rango elástico. Así

como también reduce el periodo efectivo de la estructura y así reduce el cortante basal total.

Figura 1. Esquema general de un CPR y sus elementos que lo componen. (Uang y Nakashima 2003)


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Figura 2. Comportamiento histerético de un Contraventeo Restringido contra Pandeo

Ventajas y desventajas del uso de contraventeos restringidos contra pandeo (García Torres, 2006)

A continuación se describen algunas de las ventajas sobre el uso de estos contraventeos:

• Exhiben mayor rigidez lateral cuando son sujetos a sismo de una intensidad baja, permitiendo así satisfacer los límites

de desplazamiento lateral de una manera más fácil que los marcos que no tienen este sistema de contraventeo.

• Ante la acción de sismos de una intensidad media e intensa, los contraventeos restringidos contra pandeo eliminan la

posibilidad de pandeo observada en contraventeos convencionales o comunes, dado a que pueden fluir en tensión y

compresión, proporcionando así una mayor disipación de energía.

• Actúan como fusibles, disminuyendo el daño en otros elementos estructurales. Por ello es ampliamente recomendable

reemplazarlos después de la ocurrencia de un evento sísmico.

• Ofrecen flexibilidad adecuada en el diseño, debido a que la resistencia y rigid ez de los elementos puede ser afinada.

Así como también son mucho más fáciles de modelar para realizar análisis inelásticos• Para fines de rehabilitación sísmica, los contraventeos restringidos contra pandeo ofrecen mayores ventajas en

comparación a los contraventeos convencionales, dado que estos últimos son diseñados en base a una filosofía de

diseño por capacidad y requieren de una cimentación más costosa, así como también el reforzamiento de la loza de

cimentación.

Cabe mencionar que el uso de contraventeos restringidos contra pandeo también presenta sus desventajas, tales como:

• La mayoría están patentados solo en E.U.A y Japón.

• Si no se tiene un control adecuado, la resistencia de fluencia del acero usado para la fabricación del segmento

restringido contra pandeo, podría tener una amplia variabilidad con respecto a su valor nominal.

• La tolerancia para su montaje es más estricta que para contraventeos convencionales. • Se debe establecer un criterio de detección y reemplazo los contraventeos restringidos contra pandeo después de una

excitación sísmica.


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MODELACIÓN Y DISEÑO DE LAS EDIFICACIONES

Diseño de los edificios a base de MRM

Para determinar la respuesta sísmica de edificios a base de contraventeos restringidos contra pandeo y su comparación

con respecto a edificios tradicionales o resistentes a momento, se diseñaron las edificaciones considerando que su usoes para oficinas, y que cuentan con siete y doce niveles, y tres crujías en cada dirección. La figura 3 y 4 muestra los

dos modelos de edificios resistentes a momento diseñados y la orientación de las columnas. En el caso de la estructura

que tiene CRP, estos se incluyeron en las crujías centrales de los marcos perimetrales. Cabe señalar que los modelos

de MRM fueron diseñados conforme a los requerimientos del Reglamento de Construcción del Distrito Federal (RCDF

2004). Por otro lado, los edificios a base de CRP se diseñaron para igualar la resistencia lateral obtenida en los MRM

a partir de un análisis de empuje lateral estático o pushover.

Figura 3. Edificios resistentes a momento modelo siete y doce niveles

Figura 4. Orientación de las columnas en los modelos.


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Para los análisis y diseños de los marcos se utilizó el software SAP2000 v.15. Las siguientes tablas muestran las

secciones obtenidas tanto para vigas como columnas del MRM.

Tabla 1. Secciones para Marco Resistente a Momento de siete niveles.

Tabla 2. Secciones para Marco Resistente a Momento de doce niveles

VIGAS COLUMNAS

NIVEL Perimetrales Interiores Perimetrales Centrales

12 W14X74 W14X74 W36X135 W30X108

11 W14X74 W14X74 W36X135 W30X108

10 W14X74 W14X74 W36X135 W30X108

9 W14X74 W14X74 W36X135 W30X108

8 W16X77 W16X77 W36X150 W36X150

7 W16X77 W16X77 W36X150 W36X150

6 W16X77 W16X77 W36X150 W36X150

5 W16X77 W16X77 W36X150 W36X150

4 W16X77 W16X77 W36X170 W36X170

3 W16X77 W16X77 W36X170 W36X170

2 W16X77 W16X77 W36X170 W36X170

1 W16X77 W16X77 W36X170 W36X170

VIGAS COLUMNAS

NIVEL Perimetrales Interiores Perimetrales Centrales

7 W14X26 W14X26 W16X26 W27X84

6 W16X31 W16X31 W18X46 W27X84

5 W24X62 W24X62 W18X46 W36X116

4 W24X63 W24X63 W18X50 W36X150

3 W24X64 W24X64 W27X94 W36X150

2 W24X65 W24X65 W30X116 W36X150

1 W24X66 W24X66 W30X116 W36X182


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Análisis estático no-lineal para la obtención de los edificios a base de CRP

Una vez que se obtuvieron los diseños de las edificaciones a base de MRM de acero, se procedió a obtener los edificios

equivalentes con el sistema de CRP. Para ello, se diseñaron dos estructuras de acero formada por marcos de 7 y 12

niveles para soportar únicamente las cargas gravitatorias; es decir, los edificios con CRP se obtuvieron primero a partir

de marcos que soportan exclusivamente carga gravitatoria (MG) y después de eso, se incluyeron CRP en las crujíascentrales de los marcos perimetrales (ver figuras 5 y 6). Para diseñar los CRP, se utilizó un proceso iterativo que

consistió en proponer dimensiones de CRP que estarían en el MG, hasta igualar la resistencia lateral obtenida a partir

de un análisis pushover. La figura 7 muestra resultados de análisis de empuje lateral para la estructuras de acero a base

de MRM, MG y marcos con contraventeos restringidos contra pandeo (MC) de 7 niveles.

Figura 5. Disposición de contraventeos restringidos contra pandeo (modelos 7 y 12 niveles)

Figura 6. Edificio modelado de siete niveles con inclusión de contraventeos restringidos contra pandeo


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Figura 7. Curva de capacidad para el edificio de siete niveles aplicada en el lado corto

Modelación para análisis sísmico

Para los elementos que componen a las edificaciones, se consideró un modelo de comportamiento bilineal con 3% de

rigidez de post-fluencia, ya que puede modelar el comportamiento cíclico de miembros de acero con buena

aproximación. El amortiguamiento utilizado es de 2% el crítico. Se considera que las columnas de la base están fijas

y que el comportamiento no lineal se concentra en los extremos de los miembros para el caso de vigas y columnas, y

finalmente los contraventeos solo disipan energía por carga axial.

REGISTROS SÍSMICOS

Para determinar el desempeño sísmico de los marcos estructurales se realizó análisis dinámico, el cual consiste en

someter a las estructuras a la acción registros sísmicos representativos del sitio en el que se suponen desplantadas. En

este trabajo se consideraron cuatro movimientos sísmicos fuertes como lo sugiere el RCDF, entre los cuales se

encuentra el registro obtenido en la estación SCT ocasionado por el sismo del 19 de septiembre de 1985. La tabla 3

proporciona información relevante de los registros seleccionados de la zona IIIb del Valle de México. La figura 8

muestra las aceleraciones para cada instante de tiempo de los registros sísmicos utilizados para una componente.


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Tabla 3. Registros Sísmicos utilizados.

Registro Estación Fecha Magnitud ID Coordenadas delEpicentro Ams(cm/s²) ComponenteE-W Ts (s) ComponenteN-S Ts (s)

R1SCT, México

D.F.19/09/1985 8.1 SCT (18.081 N, 102.942 O) 165.1 2.05

R2Col.

Churubusco,

México D.F.

14/09/1995 7.3 IB22 (16.31 N, 98.88 O) 27.8 1.34 1.42

R3García

Campillo,

México D.F.

14/09/1995 7.3 GC38 (16.31 N, 98.88 O) 31.1 1.74 1.58

R4García

Campillo,México D.F.

11/01/1997 6.9 GC11 (17.91 N, 103.0 O) 16.4 1.7 1.54

Figura 8. Registros sísmicos utilizados (componente E-W)


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DESEMPEÑO SÍSMICO DE LOS EDIFICIOS

Para determinar el desempeño sísmico de los edificios, ambos sistemas estructurales (MC y MRM) se sometieron a

los cuatro registros sísmicos descritos anteriormente, los cuales fueron escalados hasta alcanzar una distorsión máxima

de entrepiso cercana a 0.012, que es la que sugiere el RCDF para estado límite de seguridad, y fue la utilizada para losdiseños de los marcos resistentes a momento. En esta sección se muestran los perfiles de distorsión para todos los

marcos analizados. Las figuras 9 y 10 comparan el perfil de distorsiones para los modelos de 7 niveles MC y MRM

sometidas al registro R1 (obtenido del sismo del 19 de septiembre de 1985) para ambos sentidos del sismo EW y NS.

Se observa que las demandas de distorsión son mucho mayores para el modelo MRM en comparación con las del MC;

por ejemplo, una vez que el modelo MRM alcanza una distorsión máxima de entrepiso de 0.012, el modelo a base de

contraventeos restringidos contra pandeo solamente presenta una distorsión máxima de 0.07. Resultados similares se

obtuvieron para el edificio de 12 niveles en ambas direcciones (ver figuras 11 y 12), donde el desempeño sísmico de

los edificios MC resultó muy superior al de los edificios a base de marcos resistentes a momento.

Figura 9. Perfil de distorsiones para modelos de 7 niveles (MC Y MRM) sometidosal registro R1 (componente E-W)

Figura 10. Perfil de distorsiones para modelos de 7 niveles (MC Y MRM) sometidosal registro R1 (componente N-S)


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Figura 11. Perfil de distorsiones para modelos de 12 niveles (MC Y MRM) sometidosal registro R1 (componente E-W)

Figura 12. Perfil de distorsiones para modelos de 12 niveles (MC Y MRM) sometidos

al registro R1 (componente N-S)


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CONCLUSIONES

Se comparó el comportamiento sísmico de sistemas a base de contraventeos restringidos contra pandeo contra el de

sistemas de marcos tradicionales resistentes a momento cuando son sometidos a registros sísmicos obtenidos del suelo

blando de la Ciudad de México. Para ello, se utilizaron edificios de acero de siete y doce niveles tanto tradicionalesresistentes a momento, como sus correspondientes edificios equivalentes con la inclusión de los contraventeos

restringidos contra pandeo. Para la distorsión máxima de entrepiso de diseño (0.012), se observó que dicho valor

ocurría mucho más rápido para los modelos de marcos tradicionales resistentes a momento. En otras palabras, las

demandas de distorsión máxima de entrepiso fueron mayores para las estructuras tradicionales. Por lo tanto, los

resultados muestran las ventajas de utilizar contraventeos restringidos contra pandeo en edificaciones; además, en el

caso de que una estructura requiera rehabilitación por la ocurrencia de un sismo, dado que en los sistemas innovadores

el daño se concentra en los contraventeos, serán los únicos elementos que requieran reemplazarse, lo que simplifica la

rehabilitación estructural.

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo se desarrolló con el apoyo económico brindado por El Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología a través

del Proyecto CB-2011-01-167419 y la Beca otorgada al primer autor. Se agradece el apoyo de la Universidad

Autónoma de Sinaloa dentro del proyecto PROFAPI 2014/032.

REFERENCIAS

SAP2000, Version 15.0.1. (2004). Analysis Reference Manual. Computer & Structures, Inc.

Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal (RCDF). 2004. Normas Técnicas Complementarias para diseño

por sismo. Gaceta oficial, Gobierno del Distrito Federal.

Nakashima, M., Inoue, K., y Tada, M., (1998). Classification of damage to steel buildings observed in the 1995

Hyogokem-Nambu earthquake. Engineering Structures 20(4-6):271-281

Coeto, G. y A. Terán 2007. Control de la respuesta sísmica de edificios altos por medio de un sistema de contravientos

desadheridos. Memorias del XVI Congreso Nacional de Ingeniería Sísmica, Ixtapa-Zihuatanejo, Gro., México. Art.

IX-03.

Garcia, V., Ruíz, J., (2006). Contravéntelos Restringidos contra Pandeo como opción de refuerzo en zonas sísmicas.

Tesis Licenciatura, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo.

Clark P., Aiken I., Kasai K., Ko E., and Kimura I. (1999). Design procedures for buildings incorporating hysteretic

damping devices. Proceedings, 69th Annual Convention, SEAOC, Sacramento, CA.

Uang C M y Nakashima, M., (2003). Steel buckling-restrained braced frames. Earthquake Engineering: Recent

Advances and Applications. Capítulo 16, CRC Press.

Uang C. M., y Nakashima, M., (2004). Steel buckling restrained braced frames in Earthquake Engineering: From

engineering seismology to performance-based design. Capítulo 16, CRC Press.

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