A10-12

Universidad de Concepcin Departamento de Ingeniera Civil

Asociacin Chilena de Sismologa e Ingeniera Antissmica

N A10-12 EFECTO DEL TIPO DE CONEXIONES Y DEL MOVIMIENTO DEL SUELO EN EL COMPORTAMIENTO DE MARCOS DE ACERO EN MEXICO.A. Gmez Bernal1 y E. Sordo Zabay11.- Profesor. Departamento de Materiales Universidad Autnoma Metropolitana Azcapotzalco San Pablo 180, c.p. 02200 Mxico D. F., Mxico e-mail: [email protected]

RESUMEN Se analizan las demandas ssmicas de cuatro marcos rgidos de acero de tres, seis, trece y veinte niveles sometidos a los acelerogramas ms significativos de Mxico; con objeto de estimar las mximas demandas de las conexiones rgidas de los cuatro marcos de acero. Se comparan las rotaciones plsticas mximas de vigas y columnas de esos anlisis con las demandas del sismo de Northridge de 1994 en California, del sismo de Chile de 1985 y de Kobe de 1995. Se encuentra que las demandas de rotacin plstica de vigas y columnas utilizando registros mexicanos no excede 0.01 radianes en marcos de 3 y 6 niveles, ni excede 0.015 radianes en marcos de 13 y 20 niveles. Pero cuando se aplican los acelerogramas de Northridge y de Kobe, se obtienen demandas hasta de 0.03 radianes. Tampoco al usar los acelerogramas chilenos se alcanzan demandas plsticas tan altas. Se discute adems, la relacin de las demandas plsticas con los espectros de respuesta de velocidad. Se identifican los acelerogramas mexicanos con las caractersticas ms destructivas, adems de SCT y TLHB. Palabras Clave: Conexiones de acero, estructuras de acero, conexiones rgidas, demandas plsticas.

1

INTRODUCCIN

A raz de los grandes daos observados durante sismos intensos (Mxico en 1985, M=8.1; Northridge en 1994, M=6.7; y Kobe en 1995, M=7.2) en edificios estructurados a base de marcos de acero, se increment el inters por mejorar el diseo de estructuras de acero para lograr los mecanismos de

Congreso Chileno de Sismologa e Ingeniera Antissmica IX Jornadas, 16-19 de Noviembre de 2005, Concepcin - Chile

disipacin de energa ms adecuados, lo que implica poner ms atencin en los elementos que son crticos en la respuesta ssmica y sobre todo en sus conexiones. Durante el terremoto de Northridge del 17 de enero de 1994, hubo una gran cantidad de fracturas frgiles e inesperadas en las soldaduras de las conexiones de acero viga-columna. Aunque no se presentaron colapsos o daos catastrficos como consecuencia de estas fallas, un gran porcentaje de estructuras de acero localizadas en la zona de mayor movimiento sufrieron daos que fueron desde grietas detectadas solo por pruebas no-destructivas hasta grandes grietas que se prolongaron desde la soldadura hasta el alma de la columna (Youssef, et al., 1995; Bruneau et al., 1998). Anlisis inelsticos usando acelerogramas de sismos registrados en campo cercano, demuestran que las demandas de distorsin excedieron significativamente a las distorsiones previstas en el diseo. Actualmente en USA se considera que la capacidad requerida de rotacin plstica debe incrementarse al menos a 0.030 rad. Estos valores exceden a las rotaciones reales que pueden proporcionar, durante sismos intensos, la mayora de las conexiones estructurales convencionales. En las disposiciones para sismo del AISC (Seismic Provisions, 2002), se incluyen tres tipos de marcos de acero: Marcos especiales, Marcos Intermedios, y Marcos Ordinarios. Los cuales ofrecen tres diferentes niveles en la capacidad de rotacin inelstica ssmica esperada. Los dos primeros tipos son diseados para que las conexiones soporten distorsiones plsticas de entrepiso de al menos 0.04, y 0.02 radianes respectivamente, mientras que los ordinarios se disean considerando poca capacidad de rotacin plstica. Como una consecuencia del gran nmero de daos causados por el sismo de 1994 en las conexiones estndar utilizadas en California, se elimin la conexin precalificada y se implement un extenso programa experimental para buscar nuevas opciones de conexiones rgidas que proporcionaran los altos niveles de deformacin plstica mencionados arriba (Uang et al, 2000). Uno de los resultados ms importantes a las que se ha llegado en Estados Unidos en los ltimos 10 aos como consecuencia de los estudios experimentales, es una propuesta de conexiones precalificadas, las cuales representan un incremento notable de capacidad de rotacin plstica de la unin viga-columna. Estas conexiones sern incluidas en la prxima versin de las especificaciones para sismo del AISC (Seismic Provisions) de 2005. Por otra parte, es sabido que la respuesta de las estructuras est en funcin de las caractersticas del movimiento, bsicamente si se trata de un movimiento de campo cercano o de campo lejano, o si el mecanismo es de subduccin o de origen normal. Por esta razn es importante estudiar detalladamente las demandas inelsticas de estructuras de acero sometidas a acelerogramas de varios tipos para poder establecer adecuadamente el rango de rotaciones inelsticas esperadas en las conexiones (rgidas y semirgidas). En este trabajo se realiza un anlisis del efecto que tienen los diferentes tipos de movimientos del suelo registrados en Mxico, en las demandas ssmicas de 4 marcos de acero de 3, 6, 13 y 20 niveles. El diseo de las estructuras estudiadas se realiz de acuerdo a la prctica convencional. Se analizan las respuestas globales de las estructuras con anlisis no lineales ante acelerogramas registrados en diferentes zonas del


pas. Se comparan las demandas de rotacin con las obtenidas a travs de acelerogramas registrados en los sismos de Northridge, de Kobe Japn y de Chile. En las comparaciones de los diferentes parmetros se hace nfasis entre los movimientos en campo cercano y a grandes distancias. 2 ACELEROGRAMAS ESTUDIADOS

En este trabajo se usaron los acelerogramas registrados en Mxico que producen las mximas demandas. Se incluyen tambin movimientos de temblores registrados en otras partes del mundo, 4 acelerogramas de Northridge, uno de Kobe de 1995 y dos del sismo de marzo de 1985 en Chile. TABA 1. DATOS SISMOLGICOS DE ACELEROGRAMAS MEXICANOS.# 1 2 3 4 6 9 11 12 13 15 16 17 19 20 23 24 27 30 32 33 34 35 38 EST ACAS PARS ACAS RIXC CALE MZ01 VIGA DELS ACAD ACAP PTSU SICC TAMS AERS SICC ZACA OAXM CSER CHI1 SCT1* TLHB* TLHD* CDAO* FECHA 19/03/78 21/09/85 6/10/74 21/10/95 11/01/97 9/10/95 25/04/89 15/10/79 25/04/89 19/03/78 11/01/97 14/03/79 15/10/79 15/10/79 25/10/81 19/09/85 29/11/78 15/06/99 19/09/85 19/09/85 19/09/85 19/09/85 19/09/85 M (Mw) 5.8 (6.6) 7.6 (7.5) 5.5 7 6.9 (7.1) 8.0 6.9 (6.9) 6.6 (6.5) 6.9 (6.9) 5.8 (6.6) 6.5 7.0 (7.4) 6.6 6.6 7.3 (7.2) 8.1 (8.1) 7.8 (7.8) 7.0 (6.9) 8.1 8.1 8.1 8.1 8.1 PRF (km) 36 (11) 20 (21) 50 98 16 (40) 5 19 (15) 10 (12) 19 (15) 36 (11) 16 (40) 28 (27) 10 10 14 (32) 19 19 (16) 69 (61) 19 19 19 19 19 DE (km) 22 158 19 54 36 51 25 35 60 25 102 114 13 3 8 84 119 90 341 399 406 407 404 C1 (cm/s2) 383.2 473.8 308.2 349 396.2 387.6 310.1 340.4 72 293.3 170.4 264.3 303 284.3 265.7 147 216.4 108.0 157.4 98.3 134.4 122.7 65.3 C2 (cm/s2) 158.9 169.3 83.1 115 413.9(v) 302.9 128.2 148.7 332 252.0 221.1 66.8 136.3 156.9 s.r. (v) 174 81.8 199.13 84.5 169.1 104.7 113.6 84.6 C3 (cm/s2) 744.5 625.8 529.8 442 350.3 387.1 345.9 230.6 335 315.1 311.0 307.2 0 254.4 249.1 262 144.8 171.2 187.33 37.2 25.3 57.5 34.3 DT (s) 23.66 46.29 9.40 166.4 65.5 154.62 34.39 100.15 57.98 15.44 106.12 22.10 46.27 51.54 33.72 146.38 14.94 134.41 84.48 183.51 150.00 150.00 314.72 SUELO ALUV ROCA ALUV ROCA ROCA ROCA ALUV Tipo C-S L-S C-S L-S L-S L-S L-T L-S L-S L-S L-S L-S C-T C-T C-S L-S L-S L-S L-S L-S L-S L-S L-S

LUTIT ALUV ALUV ALUV ALUV AR.C. BLANDO ROCA BLANDO Z-III Z-III Z-III Z-III

2.1

Acelerogramas de Mxico

Para detectar los sismos ms importantes, se analizaron ms de 40 registros con las aceleraciones ms altas registradas en Mxico. En la tabla 1 se muestran solo los registros con ms energa y que son los de inters para los anlisis; estn ordenados de acuerdo a la aceleracin mxima del suelo (AMS), la clave de las estaciones es de acuerdo a la Base Mexicana de Sismos Fuertes (BMSF, 2000), el acelerograma con la ms alta AMS corresponde a la estacin ACAP de Acapulco con 0.75 g, del sismo del 19 de marzo de 1978, mientras que la estacin con la AMS ms baja corresponde a la estacin Central de Abastos Oficinas, CDAO, del 19 de septiembre de 1985 (0.086 g). Se muestran adems los parmetros sismolgicos ms relevantes: la mayor magnitud asignada, M (y entre parntesis la magnitud de momento, Mw); la profundidad, PRF (y entre parntesis el dato segn Harvard Seismology Center Solutions); y la


distancia de la estacin al epicentro, DE. Adems de la duracin total (DT). Se distinguen los registros de acuerdo a su origen como Cercanos (C) y Lejanos (L), de origen de actividad Subductiva (S) Lateral (T), y el tipo de suelo. En la tabla 2, manteniendo el orden de la tabla 1, se comparan los acelerogramas con otros parmetros instrumentales. Adems de la aceleracin mxima absoluta corregida (AMC), de la velocidad mxima absoluta del suelo (VM), y del desplazamiento mximo del suelo (DM), de la componente horizontal con la mayor aceleracin, se indica, la duracin de Arias (DA) de los canales horizontales, la Intensidad de Arias (Arias, 1970) de los tres canales (I1, I2 e I3), las Intensidades Principales de Arias (Imax, Imin), el Potencial Destructivo (Pdh), de Araya-Saragoni (1984). Adems se indica el periodo medio (Tm) de acuerdo a Rathje y otros (1988) calculada como Ci2*fi/Ci2, donde Ci son amplitudes de Fourier y fi, son transformadas discretas de frecuencias entre 0.25 y 20 Hz. TABLA 2. PARMETROS DE INTENSIDAD DE ACELEROGRAMAS MEXICANOS.# 1 2 3 4 6 9 11 12 13 15 16 17 19 20 23 24 27 30 32 33 34 35 38 EST ACAS PARS ACAS RIXC CALE MZ01 VIGA DELS ACAD ACAP PTSU SICC TAMS AERS SICC ZACA OAXM CSER CHI1 SCT1* TLHB* TLHD* CDAO* AMC (cm/s2) 742.51 621.03 528.20 441.74 400.70 384.29 337.36 343.64 332.78 320.44 310.98 309.61 304.8 297.7 261.98 260.9 215.6 199.3 158.4 167.1 152.1 119.7 82.6 VM (cm/s) 10.69 11.78 13.77 13.36 11.73 31.37 11.16 32.98 17.01 13.07 25.19 23.05 36.7 41.6 21.02 29.16 8.83 15.41 25.3 57.0 54.13 37.0 34.4 DM (s) 1.06 3.31 0.43 1.47 3.45 8.70 3.22 20.10 1.82 1.26 4.93 2.75 10.8 12.0 2.37 17.32 0.55 2.61 9.6 20.2 42.11 23.3 27.8 DA1 (s) 6.28 16.59 2.84 35.76 15.12 49.25 9.50 66.32 6.43 5.79 29.54 13.30 15.63 48.65 9.65 44.59 48.68 78.0 74.0 76.0 159.3 DA2 (s) 6.58 12.01 2.92 34.42 16.35 70.31 9.56 70.26 10.03 4.96 24.12 12.92 18.05 43.31 8.62 41.21 45.16 84.0 80.0 80.3 130.0 I1 (cm/s) 152.6 80.2 19.9 358.1 204.8 430.1 65.54 324.2 3.9 48.1 68.1 100.7 103.3 120.8 164.8 87.8 59.9 25.8 153.5 7.6 146.9 61.8 6.1 I2 (cm/s) 27.8 21.7 1.6 42.7 105.1 180.2 14.04 52.6 75.5 38.4 80.4 6.3 23.9 29.2 156.2 6.9 96.6 37.4 224.0 8.11 27.8 102.0 I3 (cm/s) 276.8 109.8 73.5 368.0 158.6 456.0 85.11 236.0 64.0 76.2 100.2 124.9 87.6 201.2 247.7 25.2 104.8 130.2 120.5 108.7 68.7 113.0 Imax (cm/s) 309.6 118.6 74.6 416.5 222.4 606.4 89.1 327.0 80.00 85.1 100.3 125.6 121.3 264.4 62.2 118.41 154.6 289.0 147.5 69.3 132.1 Imin (cm/s) 119.8 71.4 19.3 309.5 141.1 279.7 57.9 233.2 59.4 39.2 80.3 100.0 87.1 139.5 22.9 83.02 125.9 88.0 107.0 60.2 94.0 Pdh1 10.25 2.42 0.60 14.88 42.97 72.6 3.80 97.79 5.2 1.08 25.6 28.51 13.1 20.5 39.8 92.8 9.0 25.75 182.1 1200 1301 200 1290 Pdh2 5.66 3.60 6.70 8.55 28.70 103.0 1.15 46.97 4.8 1.92 38.0 36.36 12.0 59.0 163.3 4.6 29.76 50.0 820 1324 229 1310 TM 0.12 0.16 0.17 0.17 0.25 0.42 0.14 0.69 0.30 0.20 0.37 0.42 0.57 0.37 0.37 0.53 0.26 0.59 1.17 2.12 2.56 2.04 3.1

Es bien sabido que las aceleraciones altas no necesariamente estn relacionadas con el mayor dao, como puede observarse de estos eventos. Fuera de Ciudad de Mxico, los acelerogramas con las mayores energas, de acuerdo a la Imax, corresponden en orden decreciente, a las estaciones MZ01, RIXC, DELS, ACAS y ZACA, los primeros cuatro sitios con energas mayores que las de SCT. Sin embargo las estaciones (fuera de Cd. de Mxico), con los mayores valores del Pdh, son en orden decreciente, CHI1, ZACA, MZ01, DELS y SICC. Se observa as una fuerte correspondencia entre el desplazamiento mximo del suelo, la velocidad mxima del suelo y el potencial destructivo: las primero cuatro estaciones con


mayor Pdh contienen valores de VM mayor a 25 cm/seg y de DM mayor a 5 cm. Esto ltimo confirma que la aceleracin mxima no siempre es un ndice de la destructividad de un temblor. En relacin a los registros de Ciudad de Mxico, como es de esperarse, aunque son relativamente bajas las aceleraciones del suelo, contienen las energas ms altas de todos los registros, lo cual se comprueba con las intensidades ms altas, y con el potencial destructivo. Fuera de Ciudad de Mxico, los acelerogramas de sismos mexicanos con origen de subduccin ms interesantes para realizar anlisis de estructuras son: CHI1, ZACA, MZ01 y SICC, aunque tambin PTSU, CALE y CSER tienen parmetros importantes. Mientras que de los sismos con origen de fallamiento lateral, los acelerogramas con caractersticas ms destructivas son aquellos de las estaciones DELS y AERS del sismo del 15 de octubre de 1979 del Valle Imperial, que estaban muy cerca del epicentro. TABLA 3. CARACTERSTICAS DE ACELEROGRAMAS EXTERIORES.Est. Comp AM (cm/s2) 1745.5 971.5 1028.2 593.05 827.28 525.28 416.37 581.30 391.77 446.29 319.25 284.88 821.65 463.44 835.92 664.43 385.05 775.33 212.04 322.84 164.00 581.42 802.07 336.3 VM (cm/s) 113.6 77.6 75.4 78.2 129.6 19.1 106.2 99.3 34.1 92.8 67.4 37.2 166.1 73.0 50.7 35.69 24.14 24.18 24.81 32.75 8.39 75.27 80.42 38.10 DM (cm) 33.22 30.45 20.05 16.05 32.68 8.54 43.06 24.0 8.89 56.64 16.11 13.29 28.78 19.76 11.65 10.42 3.98 7.10 3.58 4.94 2.04 19.24 17.84 10.53 DT (s) 40.00 40.00 40.00 40.00 40.00 40.00 24.50 24.50 24.50 25.00 25.00 25.00 14.95 14.95 14.95 116.4 116.4 116.4 112.6 112.6 112.6 150.0 150.0 150.0 DA (s) 12.74 14.54 10.06 8.62 7.54 10.64 15.38 10.12 10.86 11.16 13.08 11.23 8.51 10.42 7.24 35.95 40.88 30.99 55.09 45.89 44.0 9.54 8.40 9.72 I Arias (cm/s) 2120.6 1570.3 940.9 255.2 490.0 98.36 262.9 556.3 177.5 154.1 97.04 72.42 735.8 394.5 467.4 1505.8 680.84 963.13 298.41 548.50 121.60 543.8 838.8 190.2 Imaxh (cm/s) 2649.5 Iminh (cm/s) 1041.4 vo PDH (2/vo) Tm (s) 0.36 0.41 0.21 0.77 0.74 0.31 1.27 0.98 0.41 1.54 1.21 0.50 0.73 0.61 0.21 0.37 0.37 0.22 0.54 0.62 SMA (cm/s2) 1268 819 768 300 305 199 282 411 259 190 228 199 657 420 729 603.3 323.5 581.8 193.7 276.4

SISMO DE NORTHRIDGE DE 1994 (M=6.7)TAR Tar090 Tar360 Tar-up Syl090 Syl360 Syl-up Jen022 Jen292 Jen-up Wpi046 Wpi316 Wpi-up Rrs228 Rrs318 Rrs-up Llol010 Llol100 Llol-up Vm290 Vm200 Vm-up Kob-ew Kob-ns Kob-up 8.24 7.42 12.95 6.30 6.10 9.46 2.76 3.48 8.00 2.69 2.96 7.00 8.07 9.20 15.47 9.09 9.81 12.27 7.43 6.91 14.01 318.1 291.2 57.2 65.7 134.3 11.2 351.8 468.2 28.3 216.8 112.8 15.1 115.3 47.5 19.9 201.6 80.3 71.8 55.6 117.8 6.4 0.24 0.27 0.15 0.32 0.33 0.21 0.73 0.58 0.25 0.74 0.68 0.29 0.25 0.22 0.13 0.22 0.20 0.16 0.27 0.29 0.14

SYL

503.7

241.5

JEN

567.9

251.2

WPI

157.6

93.6

RRS

811.7

318.5

SISMO DE CHILE DE 1985 (M=7.8)LLO

VMR

SISMO DE KOBE DE 1995 (M=7.2)KOB 0.65 0.64 0.24 545.8 599.8 296.4

2.2

Acelerogramas del sismo de Northridge

Una gran cantidad de estaciones de la red de Los Angeles California registraron el sismo de Northridge de 1994 (Mw=6.7). En la tabla 3 se muestran los datos ms representativos de cinco de los acelerogramas ms


intensos de ese temblor ocurrido en California. Se seleccionaron estas estaciones debido a que tienen una gran energa, como puede observarse de los parmetros reportados. Para cada uno de los canales se muestra, la aceleracin mxima del suelo (AM), la velocidad mxima (VM), el desplazamiento mximo (DM), la duracin total (DT), la duracin de Arias (DA), las intensidades de Arias (IArias), las intensidades principales (Imaxh e Iminh), la intensidad de cruces por cero (vo), y el potencial destructivo de Araya y Saragoni (PDH). Para las componentes usadas en el anlisis dinmico se incluye, el periodo medio (Tm) y la Aceleracin Sostenida Mxima (SMA) de acuerdo a Nuttli (1978). La componente Tar090 de la estacin TAR (Tarzana) tiene los valores ms altos de AM, y de Imaxh. Sin embargo el mximo valor del PDH es para la componente Jen292 de la estacin JEN.

2.3

Acelerogramas de los sismos de Chile de 1985 y de Kobe de 1995

Se incluyeron en este estudio los acelerogramas de Llolleo (LLO) y Via del Mar (VMR) del sismo de Chile de 1985 y el de JMA del sismo de Kobe Japn de 1995, identificada como KOB, esto con la finalidad de comparar los resultados con otros sismos importantes. Los acelerogramas LLO y KOB se clasifican como de campo cercano al igual que los del sismo de Northridge. En la tabla 3 se incluyen los parmetros de estos registros.

3

ESTRUCTURAS ANALIZADAS

Se definieron cuatro modelos de marcos planos de acero a partir del diseo convencional de 4 edificios de 3, 6, 13 y 20 niveles, cuyas caractersticas se indican en la Tabla 4 y se muestran en la Figura 1. El criterio de diseo de los cuatro edificios fue considerando requisitos de diseo por gravedad y por sismo con un coeficiente ssmico reducido (c/Q), de 0.20, y que adems se cumplieran los requisitos de desplazamientos horizontales del Reglamento de Construcciones del Distrito Federal. Los perfiles son secciones W, compactas. La resistencia de fluencia nominal de vigas y columnas es de 248.0 MPa (36 ksi). TABLA 4. SECCIONES DE LOS MARCOS DE ACERO ESTUDIADOS.MODELO M3 (3niv) M6 (6niv) M13 (13niv) M20 (20niv) Seccin columnas (niveles) W24X131 (todos) W24x146 (1-3), W24X131 (4-6) W21X300 (1-3), W18X258 (4-6), W18X234 (7-10), W18X192 (11-13) W24X450 (1-2), W21X364 (3-12), W18X258 (13-16), W18X234 (17-20) Seccin vigas W2476 (todos) W24X76 (todos) W18x130 (1-7), W18X119 (8-13) W24X192 (1-8), W21X176 (9-20) Periodo elstico 0.3 seg. 0.7 seg. 1.5 seg. 1.9 seg.

Se realizaron anlisis dinmicos no-lineales de cada uno de los marcos, se us el programa DRAIN-2DX. Se consider un comportamiento bilineal, tomando en cuenta el efecto de los esfuerzos residuales. Se supuso un porcentaje de amortiguamiento crtico del 2%.


Figura 1. Planta y elevacin de los 4 modelos utilizados en los anlisis.


4

RESULTADOS

4.1

Demandas de Distorsiones de entrepiso.

Las demandas de distorsin de entrepiso, expresadas en trminos del ngulo de distorsin (desplazamiento relativo de entrepiso entre la altura del entrepiso), adems de ser considerado como un parmetro global, se asume como un parmetro local, debido a que se relaciona con las demandas fuerza-deformacin del elemento (Gupta y Krawinkler, 1999). Las distorsiones de los anlisis de los 4 marcos sujetos a los acelerogramas registrados en Mxico, del sismo de Northridge de 1994, de Kobe de 1995 y de Chile de 1985 se presentan en las Figuras 2 a 5. En los modelos M6, M13 y M20 siempre son mayores las demandas de distorsin de los registros de Northridge, y es ms marcada la diferencia al disminuir el nmero de niveles (la altura) del modelo. Pero en M3 la estacin KOB tiene los valores ms grandes. En M3 destacan las demandas de distorsin de entrepiso de los registros KOB (Japn) con 0.035 rad; TAR (Tarzana) con 0.032 rad; y SYL (Sylmar) con 0.024 rad (ver Fig. 2). Mientras que de los 8 registros mexicanos PTSU (Petacalco), DELS (Delta) y SICC (Sicartsa), alcanzan distorsiones mximas entre 0.006 y 0.007 rad; stas son considerablemente menores que las primeras (entre cuatro y cinco veces menos). Los registros de Chile tampoco alcanzan distorsiones de 0.01 rad. En las Tabla 5 se muestran los desplazamientos totales de estaciones mexicanas (las 7 ltimas no presentaron ningn comportamiento inelstico: OAXM a TLHB). Ntese que M3 no presenta incursiones inelsticas al usar SCT. TABLA 5. DESPLAZAMIENTOS MXIMOS TOTALES DE M3Niv N3 N2 N1 PTSU 5.578 4.302 2.298 DELS 5.279 3.982 2.128 SICC 5.251 3.932 2.078 CSER 4.780 3.667 1.939 ZACA 4.657 3.488 1.720 CALE 4.786 3.461 1.677 CHI1 4.307 3.181 1.522 MZ01 4.174 2.893 1.290 OAXM 2.90 2.01 0.87 ACAD 2.62 1.91 0.87 ACAP 2.282 1.610 0.740 SCT1 2.037 1.493 0.694 RIXC 1.690 1.120 0.508 ACAS 1.460 0.834 0.492 TLHB 1.146 0.853 0.406

*en negro estaciones que generan comportamiento inelstico

TABLA 6. DESPLAZAMIENTOS MXIMOS TOTALES DE M6Niv CHI1 ZACA AERS MZ01 DELS CSER SICC SCT1 PTSU CALE ACAP ACAD TLHB OAXM ACAS RIXC N6 3.21 6.92 6.53 4.51 4.45 3.63 2.68 1.76 2.86 2.73 2.69 2.48 1.82 1.87 1.44 8.17 N5 6.40 5.99 5.51 3.49 4.11 2.99 2.48 1.58 5.57 5.61 5.26 5.25 4.275 3.89 3.40 7.31 N4 9.08 4.67 4.37 2.31 3.56 2.41 2.26 1.42 7.64 8.05 7.28 7.69 6.70 5.99 5.27 6.22 N3 11.01 3.27 3.42 2.32 2.78 1.96 1.71 1.37 9.02 9.81 8.75 9.46 8.64 7.79 6.81 4.83 N2 12.17 2.25 2.35 1.91 1.82 1.36 1.17 1.15 9.93 10.90 9.74 10.64 9.90 9.04 7.88 3.20 N1 12.86 10.49 11.50 10.56 11.36 10.63 10.00 8.51 1.02 1.04 0.93 0.78 0.61 0.55 0.56 1.48

Las distorsiones del M6 (Fig. 3), indican que las demandas mayores de distorsin ocurren cuando se aplican los registros de Northridge JEN y WPI, con valores mximos cercanos a 0.035 radianes. La estacin KOB tiene resultados similares a las estaciones TAR y SYL; la estacin LLOL de Chile alcanza una distorsin mxima de 0.012 rad. Los 8 registros mexicanos que producen comportamiento inelstico


estn en el rango de distorsiones mximas de 0.006 a 0.01 rad, siendo el registro CHI1 (Chilpancingo) el que genera el mximo valor. En la Tabla 6 se muestran desplazamientos totales de estaciones mexicanas.DISTORSIONES MXIMAS M3 (3 NIVS)3PTSU DELS SICC CSER ZACA

ENTREPISO

2

CALE CHI1 MZ01 TAR(N) SYL(N) JEN(N)

1

WPI(N) KOB(J) LLO(CH) VMR(CH)

0 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 DISTORSIN (rad)

Figura 3. Distorsiones plsticas mximas en M3, con sismos de Northridge, Japn, Chile y Mxico.DISTORSIONES MAXIMAS M6 (6 Nivs)6WPI(N) JEN(N) SYL(N)

5

TAR(N) CHI1

ENTREPISO.

4

ZACA AERS

3

MZ01 DELS CSER

2

SICC SCT

1

LLO(CH) VMR(CH)

0 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 DISTORSIN (rad)

KOB(J)

Figura 4. Distorsiones plsticas mximas en M6, con sismos de Northridge, Japn, Chile y Mxico. En M13 (Fig 4), ocurre algo similar que en M6, aunque disminuyen un poco las demandas de los registros de Northridge (JEN alcanza 0.027 rad), y aumentan un poco las provocadas por los acelerogramas mexicanos, destacando de stos DELS, MZ01 y SCT, entre 0.011 y 0.012 rad en los 6 primeros niveles. La respuesta de M13 con el registro de la estacin KOB es muy similar a la de LLO: muestran


distorsiones considerables (0.017 y 0.013 rad) entre los entrepisos 8 y 10, aunque relativas bajas en los pisos inferiores. En cambio la estacin Via del mar (VMR) presenta los valores ms bajos (0.005 rad).DISTORSIONES MAXIMAS M13 (13 NIVS)SCT1

12 10Entrepiso

TAR(N) JEN(N) CHI1

8 6 4 2 0 0 0.005 0.01 0.015Distorsin (rad)

MZ01 SYL(M) WPI(N) DELS KOB(J) LLO(CH) VMR(CH)

0.02

0.025

0.03

Figura 5. Distorsiones plsticas mximas en M13 con sismos de Northridge, Japn, Chile y Mxico.DISTORSIONES MXIMAS (20 NIVS)20

15 Entrepiso

10

SCT JEN(N) CHI1 TLHB

5

LLO(Ch) VMR(Ch) KOB(J)

0 0.000

0.005

0.010 Distorsin

0.015

0.020

Figura 6. Distorsiones plsticas mximas en M20, con sismos de Northridge, Japn, Chile y Mxico. En M20 (Fig 6)se muestran resultados de SCT, CHI1, y TLHB de Mxico, y de JEN, KOB y LLO. Las distorsiones mximas en los primeros 10 entrepisos son del mismo orden en SCT y JEN, y estn alrededor de 0.015 rad, pero en el nivel 13 sta ltima alcanza el mximo de 0.019 rad. Las curvas de CHI1 y KOB


muestran un comportamiento similar, es decir distorsiones ms grandes en pisos superiores. Esto tambin sucede con LLO pero con valores menores.

4.2

Rotaciones plsticas de vigas y columnas

En la Figura 7 se presentan las rotaciones plsticas mximas absolutas en vigas y columnas. Al comparar estos resultados, se observa en general la misma variacin presentada antes para las distorsiones plsticas en los 4 marcos. En el caso de M3 y M6, en cada estacin, los mximos son del mismo orden en vigas y columnas. Sin embargo en M13 y M20, hay una marcada diferencia en los resultados entre viga y columna de cada estacin, siempre es mayor en la viga, esto se nota sobre todo en el marco M20. Sin embargo solo en las estaciones de Northridge se exceden rotaciones plsticas mayores a 0.020 en M3, M6 y M13.ROTACIONES PLSTICAS MXIMAS M3 (3 nivs) 0.035 0.030 0.025 Rotacin (rad)Columnas Vigas

ROTACIONES PLSTICAS MXIMAS M6 (6 Niveles)0.035 0.030 0.025 Rot. Max. (rad) 0.020 0.015 0.010 0.005 Columnas Vigas

0.020 0.015 0.010 0.005

0.0000.000

W PI (N JE ) N (N SY ) L( N TA ) R (N ) K O B (J LL ) O (C H ) C H I1 A ER S ZA C A D EL S M Z0 1 C SE R SI C CESTACIN

O B (J TA ) R (N ) SY L( N ) JE N (N ) W PI (N LL ) O (C H ) PT SU VM R (C H ) D EL S SI C C C SE R C A LE ZA C A

K

ESTACIN

ROTACIONES PLSTICAS MXIMAS M13 (13 Nivs) 0.025 Columnas 0.020Rotaciones. (rad.)

C H I1 M Z0 1

ROTACIONES PLSTICAS M20 (20 nivs)0.014 0.012 0.010ROT (rad)

COLUMNA VIGA

Vigas

0.015

0.008 0.006 0.004 0.002

0.010

0.005

0.000) SC T1 W PI (N ) (N ) O (C H ) K O B (J ) (N ) 1 D EL S H I1 (N TA R SY L JE N M Z0 C

0.000

LL

JEN(N)

SCT

KOB(J)

CHI1ESTACIN

TLHB

LLO(CH) VMR(CH)

ESTACIN

Figura 7. Rotaciones plsticas mximas en vigas y columnas en los 4 marcos con conexiones rgidas. En cada caso la barra izquierda corresponde a la columna y la derecha a la viga.

SC T


4.3

Anlisis de un Marco Dual de 13 niveles MD13

En la Figura 8 se presentan los resultados del anlisis de un marco de 13 niveles (MD13) con el mismo tipo de secciones de los perfiles de vigas y columnas, y con las mismas condiciones de carga que M13. Sin embargo se ha supuesto que las vigas del claro central tienen conexiones simples de cortante en ambos extremos. Este marco dual tiene un periodo fundamental elstico de 1.77 seg (contra 1.5 seg de su similar rgido). Al comparar los resultados de ambos marcos (Fig 8) sometidos al acelerograma SCT, se observa que las rotaciones plsticas mximas en vigas se incrementan en un 80%, sin embargo no excede el valor de 0.02 radianes; mientras que las distorsiones se incrementan un 60%.MARCO RIGIDO VS MARCO DUAL14MD13-DUAL M13-RIGIDO VIGAS-DUAL VIGAS-RIGIDO

12

10ENTREPISO

8

6

4

2

0 0.000

0.005

0.010 DISTORSIN, ROTACIN (rad)

0.015

0.020

Figura 8. Comparacin entre distorsiones mximas y rotaciones plsticas mximas en vigas de los marcos M13 (rgido) y MD13 (dual).

4.4

Espectros de respuesta de velocidad

Debido a las diferencias en el tipo de movimiento de los sismos, existen tambin diferencias significantes en la respuesta de las estructuras. En este articulo queda muy marcada la diferencia en la respuesta entre estaciones en campo cercano (como son algunas mexicanas y las de Northridge, Kobe y Chile), y las estaciones alejadas de los epicentros en Mxico. Debido a que en estaciones de campo cercano se detectan velocidades altas, en la Figura 9 se comparan los espectros de respuesta de velocidad del 5% de amortiguamiento, de los registros ms significativos usados en este estudio. Si se relacionan los resultados presentados antes tanto para distorsiones y para rotaciones plsticas se concluye que existe una relacin directa entre stas y las ordenadas de los espectros. La estacin JEN siempre exige altas demandas en los 4 modelos y su espectro es amplio en todos los periodos, pero TAR


que tiene ordenadas altas en periodos cortos afecta ms a M3 y a M6. LLO tiene un espectro con ordenadas casi constantes de alrededor de 100 cm/s2 y tiene un efecto uniforme en los 4 marcos. En cambio SCT domina en periodos mayores a 2.0 seg, y su efecto fuerte comienza a notarse a partir de M13.ESPECTROS DE VELOCIDAD1-KOBNS

500 3 400 6VEL (cm/s) .

2-LLOL10 SCTEW-V2 JEN292-V2 TLHBNS-V2 TAR090-V2

5 300 4 1 200

100

2

0 0 1 2PERIODO (seg)

3

4

Figura 9. Espectros de respuesta de velocidad (5%), de las estaciones estudiadas. Se pueden destacar los siguientes puntos de los resultados de los anlisis dinmicos no-lineales con todos los registros: a) En marcos de acero de pocos niveles (M3 y M6) son grandes las diferencias en las demandas de rotacin inelstica de sismos mexicanos (incluso SCT) con las del sismo de Northridge (de cuatro a cinco veces). Mientras que las demandas del sismo de Kobe son del orden de 5 veces en M3 y de 3 veces en M6 de las calculadas con los registros mexicanos. b) En el marco M13, son del orden de dos a tres veces las rotaciones inelsticas que imponen los acelerogramas del sismo de Northridge, que las del resto (registros mexicanos, LLOL y KOBE). c) En el modelo M20, las demandas plsticas son aproximadamente del mismo orden en SCT y en JEN en niveles bajos, pero en CHI1, KOBE y LLOL son altas las distorsiones en los niveles intermedios, mostrando el efecto de los modos superiores en movimientos de campo cercano. d) Bajo la accin de los acelerogramas mexicanos, chilenos y el de Kobe no se present ninguna rotacin plstica en vigas de los modelos M6, M13 y M20 que exceda el valor de 0.02 radianes.


e) Bajo el efecto de los sismos de California estudiados las rotaciones plsticas alcanzaron el valor de 0.03 rad en varios modelos, incluso lo exceden en el modelo M6, lo mismo sucede con el de Japn. f) En M13 y M20 al usar cualquier estacin siempre se presentaron rotaciones plsticas ms grandes en vigas que en columnas, pero en M3 y M6 resultaron del mismo orden. g) Al incluir un modelo con conexiones de cortante en el claro central de M13 aumentan considerablemente las demandas plsticas, a niveles de 0.02 rad.

CONCLUSIONES De acuerdo a los resultados presentados en este trabajo se concluye que las demandas de distorsin y de rotacin plstica de estructuras estndar a base de marcos de acero en Mxico diseadas con un c/Q de 0.20, son significativamente diferentes a las que se presentaron durante el temblor de Northridge California en 1994, siendo bastante menores las que generan los sismos mexicanos registrados hasta ahora. El valor ms alto de rotacin plstica en vigas usando registros mexicanos se calcul en SCT y es igual a 0.011 radianes, prcticamente la tercera parte del mximo calculado con Northridge. Tampoco en los acelerogramas del sismo de Chile estudiados se alcanza el nivel de rotaciones plsticas generadas por el sismo de California y de Kobe. Aunque es necesario extender el estudio a un mayor nmero de modelos y utilizar tcnicas probabilsticas para estimar las demandas mximas de rotacin inelstica que pueden esperarse en estructuras de acero a base de marcos rgidos construidas en Mxico, los resultados obtenidos aqu indican que el efecto de las rotaciones y distorsiones en Mxico afecta menos las conexiones rgidas de acero en marcos diseados convencionalmente, por lo que deben establecerse de manera diferente el tipo de conexiones a usar y el tipo de marcos y factores de ductilidad. Por otra parte se concluye que los acelerogramas mexicanos ms interesantes por sus caractersticas ms destructivas, adems de SCT y TLHB de la zona del lago del DF, son CHI1, MZ01, DELS si se desea realizar el estudio en el intervalo de periodos de aproximadamente 1.5 segundos en adelante. Y para periodos bajos, menores a 1.0 segundo, los registros ZACA, PTSU, CSER y SICC son los ms adecuados. Se demuestra que existe una relacin directa entre las demandas plsticas y los espectros de respuesta de velocidad.

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A10-12