Tapia Tena 2009b Ok

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  • Revista internacional de Vol. 13 y 14, 1, 1-28 (2008-2009) Ingeniera de Estructuras

    COMPORTAMIENTO SSMICO DE EDIFICIOS REGULARES CON MARCOS DCTILES DE ACERO CON CONTRAVENTEO CONCNTRICO DISEADO CONFORME AL REGLAMENTO DEL DISTRITO FEDERAL MEXICANO

    Edgar Tapia HernndezEstudiante de doctorado, Posgrado en Ingeniera Estructural, Universidad Autnoma Metropolitana-Azcapotzalco, Edificio P4, 2do Piso, Av. San Pablo # 180, 02200 Mxico, D.F. Correo electrnico: etapiah@hotmail.com. Arturo Tena Colunga Profesor, Departamento de Materiales, Universidad Autnoma Metropolitana-Azcapotzalco, Edificio 4P, 3er Piso, Av. San Pablo # 180, 02200 Mxico, D.F. Correo electrnico: atc@correo.azc.uam.mx. 1 RESUMEN

    El artculo presenta un estudio comparativo del diseo de edificios regulares, resueltos con marcos de acero dctiles con contravientos concntricos, a los que se les aplicaron las metodologas de anlisis y diseo conforme al mtodo de diseo convencional del cuerpo principal y el planteamiento alterno del Apndice A establecido en las Normas Tcnicas para Diseo por Sismo (NTCS-2004) del Reglamento del Distrito Federal. Los edificios estn ubicados en la zona IIIb de las NTCS-2004 y se disearon con un factor de comportamiento ssmico Q=4 y asociados a distorsiones que satisfacen las restricciones por desplazamiento cercanas al lmite mximo establecidos por las NTCS-2004. Se hicieron comparaciones de ambos diseos mediante anlisis estticos no lineales ante carga lateral montona creciente (pushover) y anlisis dinmicos no lineales ante acelerogramas asociados al sismo de diseo. Los resultados del estudio sugieren la imperiosa necesidad de realizar una revisin integral de los criterios de diseo de las NTCS-2004 para este tipo de estructuras, dadas las grandes reservas de resistencia lateral que lideran a las estructuras a comportarse de manera casi elstica, y que los anlisis pushover sugieren mecanismos ltimos de falla diferentes e incompatibles a los que se suponen en su diseo. 2 SUMMARY

    The results of a study devoted to compare the design of regular 15-story steel buildings structured with special-moment resisting concentric braced frames (SMRCBFs) is presented. The SMRCBFs were designed with the traditional method advocated in the main body of the seismic norms of Mexicos Federal District Code (NTCS-2004), as well as a more modern, alternative method advocated in its Appendix A. Subject building are located in zone IIIb of NTCS-2004 and were designed assuming a seismic response modification factor Q=4. Design drifts for subject building were design close to the limiting drift established by the building code. Pushover analyses and nonlinear time-history dynamic analyses were used to evaluate the seismic performance of the resulting design. The results of such analyses show the urgent need of performing and in-depth review of the design criteria of NTCS-2004 for medium-rise and lowrise SMRCBFs in the soft soils of Mexico City, given the large strength reserves that this system develop for designs that fulfill the requirements for the code, as their simulated nonlinear dynamic response suggest a likely elastic behavior under the action of acceleration records related to the maximum credible earthquake. Besides, collapse mechanisms obtained from pushover analyses are very different from the strong-column, weak-beam weaker-brace assumed in a design that fulfills the requirements of NTCS-2004.

    2009 ESPE, Quito, Ecuador ISSN:1390-0315 Recibido: Mayo 2009 Aprobado: Julio 2009

  • Edgar Tapia Hernndez y Arturo Tena Colunga

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    1. INTRODUCCIN

    Con la aprobacin y publicacin de las nuevas Normas Tcnicas Complementarias para Diseo por Sismo (NTCS-2004 2004) del Reglamento para Construcciones del Distrito Federal de Mxico se introdujo oficialmente un nuevo procedimiento de diseo ssmico en su Apndice Normativo A cuyo propsito es hacer ms transparente el proceso de diseo y liderar hacia una nueva generacin de reglamentos de diseo ssmico en Mxico donde los conceptos de diseo por desempeo sean claros y transparentes. Entre otros aspectos, este apndice aporta requerimientos de diseo que contemplan: un manejo transparente y explicito de las demandas y suministros de deformacin en la estructura; un diseo dual que considera criterios de desempeo de Operacin Completa y Seguridad de Vida; y una microzonacin que permite una mejor caracterizacin numrica de las excitaciones ssmicas de diseo (Ordaz et al. 2003).

    Ordaz et al. (2003) sealan los fundamentos de la propuesta del Apndice Normativo

    A, entre los que destacan los nuevos espectros de diseo elstico, con los cuales se pretende representar de una manera ms realista los verdaderos niveles de demanda que se presentan ante los sismos de diseo y reflejar correctamente los niveles de amplificacin que se producen en la realidad para diferentes tipos de suelo (Figura 1b) con respecto al mtodo convencional que se viene utilizando a partir del RCDF-87, donde los espectros elsticos de diseo no reflejan las verdaderas demandas elsticas (Figura 1a), sino que inherentemente estn reducidos por sobrerresistencia por las razones que se indican en Rosenblueth et al. (1989). Ordaz et al. (2003) explican detalladamente el procedimiento que se sigui para su obtencin, as como las consideraciones para efectuar las reducciones por concepto de ductilidad (Q y Q) y sobrerresistencia (R).

    Periodo

    Aceleracin

    Espectro elstico

    a 0

    Ta Tb

    cQ

    Espectro inelstico

    a) Espectros de diseo del cuerpo principal

    a

    a0

    c

    TTa Tb

    Elstico

    Inelstico

    QR

    a0R

    b) Espectros de diseo del Apndice A

    Figura 1 Representacin esquemtica de los espectros de diseo del cuerpo principal y del Apndice A de las NTCS-2004 del Reglamento del Distrito Federal mexicano

    El nuevo procedimiento de diseo ssmico establecido en el Apndice Normativo A

    tiene slidas bases conceptuales y empricas para la definicin de los espectros de diseo y la interaccin suelo-estructura. Sin embargo, tambin es cierto que varias propuestas, como el factor de reduccin por sobrerresistencia, R, se basa en un muy reducido nmero de estudios de marcos de concreto reforzado bidimensionales, por lo que, como se ha comprobado analtica (Tapia 2005) y experimentalmente (Vzquez 2005), la propuesta de valores de este factor no es representativa de otras estructuraciones, como marcos contraventeados de acero estructural (Tapia 2005) y de estructuras con base en muros de mampostera confinada (Vzquez 2005). Adems, la calibracin de las demandas de respuesta no lineal esperadas para diseos hechos con el Apndice A se hizo con base en sistemas de un grado de libertad considerando comportamiento elastoplstico perfecto (Reyes 2004, Ordaz 2004).

    Por lo tanto, la evaluacin del desempeo estructural de edificios con distintas

    estructuraciones diseados conforme al Apndice A y su comparacin con diseos alternativos hechos conforme al mtodo tradicional de diseo del cuerpo principal de las NTCS-2004 es del mayor inters, para valorar los pros y contras que esta novedosa propuesta ofrece.

  • Comportamiento ssmico de edificios regulares con marcos dctiles de acero con contraventeo

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    El presente trabajo presenta solamente una parte de un estudio muy detallado que se presenta en Tapia (2005) y donde se comparan distintos diseos de edificios de acero estructural de 12 y 15 pisos ubicados en la subzona IIIb de las NTCS-2004 y estructurados con base en marcos dctiles con contraventeo concntrico para Q=4 utilizando: (a) el mtodo convencional del cuerpo principal y (b) la metodologa establecida en el Apndice Normativo A (ANA).

    Dado lo extenso del estudio presentado en Tapia (2005), en las siguientes secciones

    se presentarn slo algunos de los aspectos ms relevantes de la comparacin de los diseos obtenidos para Q=4 para el edificio de 15 niveles, que son los ms interesantes para fines ilustrativos.

    2. EDIFICIO EN ESTUDIO Y METODOLOGA DE DISEO

    2.1 Generalidades

    El edificio en estudio se supuso situado en la zona IIIb de la nueva subzonificacin de

    las NTCS-2004, para asociarlo a las mayores demandas ssmicas, con un factor de comportamiento ssmico Q= 4 (figura 2). Adicionalmente, se busc que su diseo final cumpliera al lmite los requisitos por deformacin lateral impuestos en cada uno de los planteamientos propuestos en el cdigo, considerando que los elementos no estructurales se encuentran desligados de la estructura. Asimismo, se respet lo sugerido en las Normas Tcnicas sobre Criterios y Acciones para el Diseo Estructural de Edificaciones (NTCA-2004 2004) para la determinacin de las cargas actuantes sobre los modelos.

    Desplazamiento

    Fuerza

    Sistema inelstico (EPP)

    Sistema elstico

    Q

    Q a) Cuerpo principal

    Desplazamiento

    Fuerza

    Sistema inelstico (EPP)

    Sistema elstico

    QR

    QR b) Apndice A

    Figura 2 Conceptualizacin del: a) factor de comportamiento ssmico Q y, b) factor de

    reduccin de las fuerzas ssmicas con fines de diseo Q, de los reglamentos de diseo ssmico de Mxico, considerando que, por simplicidad, se supone que el sistema inelstico equivalente tiene un comportamiento elastoplstico perfecto.

    Se supuso que los elementos estructurales de los edificios seran con perfiles

    laminados de seccin I y para observar que no se presentara una direccin global ms dbil, se altern la direccin principal de las columnas como se ilustra en la figura 3. Adems, se vari la orientacin de las trabes secundarias para lograr una mejor distribucin de la carga sobre las columnas. El sistema de piso se supuso con Losacero, cu