Actualizacion Uribe Escamilla

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Actualización “Conceptos fundamentales” Jairo Uribe Escamilla Análisis Estructural Aplicado 2011

Universidad Nacional de Colombia Sede Bogotá.Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Civil y AgrícolaCurso: Análisis Estructural Aplicado

Conceptos fundamentales del análisis deestructuras.

Actualización Capítulo 1 “Análisis de Estructuras” de Jairo Uribe Escamilla

Hernán Garzón Rodriguez. Cod. 214372

Introducción

La segunda edición del documento de referencia del profesor Uribe, presenta en esencia el

contenido de su primera edición con la actualización del primer capítulo respecto a la NORMACOLOMBIANA DE DISEÑO Y CONSTRUCCION SISMO RESISTENTE, NSR-98, y con otras variasmodificaciones. Sin embargo, a partir del pasado 15 de Julio de 2010, se reglamentó elcumplimiento de la actualización a la Norma con la NSR-10.




1.7 Clasificación de las fuerzas que actúan en una

estructura

“… En el cuadro 1.1 se dan las cargas vivas principales

prescritas por diferentes códigos de reconocido prestigio parael diseño de las estructuras más comunes. Entre ellas estánlas establecidas en las Normas NSR-98, cuyo cumplimiento esobligatorio en todo el territorio nacional”:

Cuadro 1.1

Principales cargas vivas mínimas prescritas en diversos códigos(N/m2)

Uso de la EstructuraNSR-98

ASCE7-95

UBC-1982

DIN1055

Vivienda 18001450-1950

19501500-2000

Oficinas 2000 2450 2450 2000

Escaleras en oficinas y vivienda 3000 4900 49003500-5000

Cuartos de hospitales 2000 1950 1950 2000

Graderías de estadios ycoliseos

4000 4900 4900 7500

Escuelas, colegios yuniversidades

20001950-3000

1950-3000

3500

1.7 Clasificación de las fuerzas que actúan en una

estructura

“… En el cuadro 1.1 se dan las cargas vivas principales

prescritas por diferentes códigos de reconocido prestigio parael diseño de las estructuras más comunes. Entre ellas están lasestablecidas en las Normas NSR-10, cuyo cumplimiento esobligatorio en todo el territorio nacional:

Cuadro 1.1

Principales cargas vivas mínimas prescritas en diversos códigos(N/m2)

Uso de la EstructuraNSR-10

ASCE7-95

UBC-1982

DIN1055

Vivienda 18001450-1950

19501500-2000

Oficinas 2000 2450 2450 2000

Escaleras en oficinas y vivienda 3000 4900 49003500-5000

Cuartos de hospitales 4000 1950 1950 2000

Graderías de estadios ycoliseos

5000 4900 4900 7500

Escuelas, colegios yuniversidades

20001950-3000

1950-3000

3500

Universidad Nacional de Colombia 2 | P á g i n a




1.9 Códigos de Construcción

“… En Colombia las Normas Colombianas de Diseño y

Construcción Sismo Resistentes, NSR-98 establecidas por el

Decreto 33 de 1998, reglamentario de la Ley 400 de 1997, sonde obligatorio cumplimientos desde febrero de 1998…”

1.9 Códigos de Construcción

“… En Colombia las Normas Colombianas de Diseño y

Construcción Sismo Resistentes, NSR-10 establecidas por el

Decreto 926 de 2010, reglamentario de la Ley 400 de 1997,son de obligatorio cumplimientos desde Julio de 2010…”

1.10.1 Diseño para esfuerzos admisibles

“… Las NSR-98 estipulan que los siguientes materiales puedendiseñarse de acuerdo con esta metodología”:

Hormigón preesforzado en condiciones de servicio Capítulo C.18

Tanques y compartimientos estancos Capítulo C.18

Mampostería Apéndice D-1

Edificaciones de madera Título G

Diseño elástico de estructuras de aceroCapítulos F.3y F.4

1.10.1 Diseño para esfuerzos admisibles

“… Las NSR-10 estipulan que los siguientes materiales puedendiseñarse de acuerdo con esta metodología”:

Concreto preesforzado en condiciones de servicioCapítuloC.18.4

Cualquier porción de mampostería compuesta D.6.4

Muros de mampostería no reforzada D.9.3

Estructuras de acero incluyendo pernos y partesroscada

F.2.17

Estructuras de madera Título G

1.10.2 Diseño a la resistencia última

“… En las normas NSR-98 no existen prescripcionesequivalentes por considerar que no se justifican en nuestromedio y que se puede obtener un mejor resultado con eldiseño para estados límites”

1.10.2 Diseño a la resistencia última

“… En las normas NSR-10 se establecen ciertos calores parapartes de estructuras metálicas (Título F) pero no define estecomo un método de diseño de estructuras.”





1.10.3 Diseño para estados límites

“… El método de la resistencia contemplado en las Normas

NSR-98 sigue parcialmente la metodología de diseño para

estados límites, y es obligatorio en los siguientes casos:

Concreto reforzado Titulo C

Mampostería Título D

Estructuras con miembros de lámina delgada deacero formados en frío

Capítulo F.6

Estructuras de aluminio Capítulo F.6

Además es el recomendado para el diseño de estructuras deacero hechas con perfiles laminados, cubiertas en los capítulosF.2 y F.3”

1.10.3 Diseño para estados límites

“… El método de la resistencia contemplado en las Normas

NSR-10 sigue parcialmente la metodología de diseño para

estados límites, y es obligatorio en los siguientes casos:

Tanques, otros compartimientos estoricos yestructuras ambientales

Capítulos C.23y C.8.1

Diseño de estructuras de mampostería D.5.1

Estructuras metálicas Capítulo F.2.2

1.10.3.4 Resistencia y reducción de capacidad

“… En el cuadro 1.3 se muestran algunos de los valores de Φprescritos para el diseño de miembros de concreto reforzado,

y de acero con perfiles laminados en las Normas NSR-98.

Cuadro 1.3

Algunos coeficientes de resucción de capacidad Φ establecidos en lasNormas NSR-98

1.10.3.4 Resistencia y reducción de capacidad

“… En el cuadro 1.3 se muestran algunos de los valores de Φprescritos para el diseño de miembros de concreto reforzado, y

de acero con perfiles laminados en las Normas NSR-10.

Cuadro 1.3

Algunos coeficientes de resucción de capacidad Φ establecidos en lasNormas NSR-98





Solicitación Estructuras

de concreto

reforzado

Estructuras de

acero con perfiles

laminados

Fluencia Rotura

Flexión sin carga axial 0.9 0.90 0.75

Tensión axial con o sinflexión

0.9 0.90 0.75

Compresión axial, con o sinflexión:

0.85

– Elementos con refuerzoespiral

0.75

– Elementos reforzadosde otra manera

0.70

Contacto o aplastamiento 0.70 0.75

Corte o torsión 0.85 0.90

Solicitación Estructuras

de concreto

reforzado

Estructuras de

acero con perfiles

laminados

Fluencia Rotura

Flexión sin carga axial 0.9 0.90 0.75

Tensión axial con o sinflexión

0.9 0.90 0.75

Compresión axial, con o sinflexión:

0.90

– Elementos con refuerzoespiral

0.75

– Elementos reforzadosde otra manera

0.65

Contacto o aplastamiento 0.65 0.75

Corte o torsión 0.75 0.90

1.11.1 Título A- Requisitos generales de diseño y

construcción sismo resistente

“… Con base en el mapa A.1.1 se determina el nivel deamenaza sísmica del lugarm qye puede ser alta, intermedia obaja, y con el mapa A.1.2 el número de la región en dondeestá localizada la edificación. El valor de Aa se puede obtenerpara cada región con la tabla 1.1…”

Tabla 1.1

Regiones de amenaza sísmica y aceleración pico efectivacorrespondiente

Región No. Aa Amenaza sísmica



“… Con base en el mapa A.1.1 se determina el nivel deamenaza sísmica del lugarm qye puede ser alta, intermedia obaja, y con el mapa A.1.2 el número de la región en dondeestá localizada la edificación. El valor de Aa se puede obtenerpara cada región con la tabla 1.1…”

Tabla 1.1

Regiones de amenaza sísmica y máximo entre aceleración picoefectiva y velocidad pico efectiva correspondiente

Región No. Aa y Av Amenaza sísmica





10 0.45 Alta

9 0.40 Alta

8 0.35 Alta

7 0.30 Alta

6 0.25 Alta

5 0.20 Intermedia

4 0.15 Intermedia

3 0.10 Baja

2 0.75 Baja

1 0.05 Baja

10 0,50 Alta

9 0.45 Alta

8 0.40 Alta

7 0.35 Alta

6 0.30 Alta

5 0.25 Alta

4 0.20 Intermedia

3 0.15 Intermedia

2 0.10 Baja

1 0.05 Baja



“… Efectos locales: Los efectos locales de la respuesta sísmicade la edificación se tienen en cuenta con un coeficiente S,llamado coeficiente del sitio, evaludo con base a los perfiles desuelo dados a continuación:

– S=1 perfiles compuestos hasta la superficie de roca decualquier característica… conformados por suelos diros odensos, con un espesor menor de 60m

– S=1,2 perfiles cuando existen más de 60 m de depósitosestables de suelos … arcillas duras o suelos no cohesivos

– S=1,5 cuando hay mas de 20 m de suelo que contienedepósitos estables de arcillas cuya dureza varía entremediana y blanda…

– S=2.0 para perfiles donde hay mas de 12 m de arcillas



“… Efectos locales: Para considerar los efectos locales se tieneen cuenta dos factores de amplificación, Fa y Fv, los cualesafectan la zona del espectro de periodos cortos y periodosintermedios, respectivamente. Se usan dependiendo del perfildel suelo definido:

Tabla

Valores del coeficiente Fa para la zona de periodos cortos delespectro

Tipo dePerfil

Intensidad de los movimientos sísmicos

Aaa<0.1 Aa=0.2 Aa=0.3 Aa=0.4 Aa>0.5





blandas.” A 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8

B 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0

C 1.2 1.2 1.1 1.0 1.0

D 1.6 1.4 1.2 1.1 1.0

E 2.5 1.7 1.2 0.9 0.9

F Veasenota

Veasenota

Veasenota

Veasenota

Veasenota

Tabla

Valores del coeficiente Fv para la zona de periodos cortos delespectro

Tipo dePerfil

Intensidad de los movimientos sísmicos

Aaa<0.1 Aa=0.2 Aa=0.3 Aa=0.4 Aa>0.5

A 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8

B 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0

C 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3

D 2.4 2.0 1.8 1.6 1.5

E 3.5 3.2 2.8 2.4 2.4

F Veasenota

Veasenota

Veasenota

Veasenota

Veasenota



“…Coeficiente de importancia: La importancia de la edificaciónse tiene en cuenta con un coeficiente I, de acuerdo con la



“…Coeficiente de importancia: La importancia de la edificaciónse tiene en cuenta con un coeficiente I, de acuerdo con la





siguiente clasificación:

I=1.3 Para el denominado grupo IV, que comprende lasintalaciones indispensables que deben funcionar

durante y después de la ocurrencia del sismo, paraatender la emergencia y preservar la salud y laseguridad de las personas , y además su operaciónno puede ser trasladada a otra edificación. Estegrupo incluye hospitales, clínicas, centros de salud,estructuras que forman parte de los sistemas contraincendio de dichas instalaciones, así como lasplantas de emergencia de las mismas y lasedificaciones de las centrales telefónicas, detelecomunicación y de radiodifusión

I=1.2 Para el grupo III, que comprende las edificación esde atención a la comunidad, indispensable despuésde un temblor para atender la emergencia alpreservar la salud y la seguridad de las personas,exeptuando las incluidas en el grupo IV. En ellas seincluye las estaciones de bomberos y de policía, loscuarteles y las oficinas de prevención y atención dedesastres, lo mismo que los garajes de vehículos deemergencia y los centros de atención de lasmismas.

I=1.1 Para las construcciones del grupo II, en el cual están

comprendidas aquellas en donde se pueden reunirmás de 200 personas en un mismo salón, graderíasal aire libre donde puedan haber más de 2000personas a la vez, guarderías, escuelas, colegios,universidades, almacenes con más de 500 m2 porpiso, las edificaciones donde residan más de 3000personas, los edificios gubernamentales y todasaquellas edificaciones en donde sus ocupantesestén restringidos en su movimiento o en dondepueda presentarse pánico general.

siguiente clasificación:

I=1.5 Para el denominado grupo IV, que comprende lasintalaciones indispensables que deben funcionar

durante y después de la ocurrencia del sismo, paraatender la emergencia y preservar la salud y laseguridad de las personas , y además su operaciónno puede ser trasladada a otra edificación. Estegrupo incluye hospitales, clínicas, centros de saludque dispongan de servicios de cirugía, salas decuidados intensivos, salas de neonatos y/o atenciónde urgencias, aeropuertos, estaciones ferroviarias,sistemas de transporte masivo, centralestelefónicas, de radiodifusión, refugios para

emergencias, centrales de operación de líneas deenergía eléctrica, agua, combustibles, edificacionesque contengan agentes explosivos, tóxicos ydañinos, y las estructura que forme parte de sussistemas contraincendios.

I=1.25

Para el grupo III, que comprende las edificación esde atención a la comunidad, indispensable despuésde un temblor para atender la emergencia alpreservar la salud y la seguridad de las personas,exeptuando las incluidas en el grupo IV. En ellas seincluye las estaciones de bomberos y de policía, los

cuarteles y las oficinas de prevención y atención dedesastres, lo mismo que los garajes de vehículos deemergencia y los centros de atención de lasmismas, guarderías, colegios, universidades yescuelas.

I=1.1 Para las construcciones del grupo II, en el cual estáncomprendidas aquellas en donde se pueden reunirmás de 200 personas en un mismo salón, graderíasal aire libre donde puedan haber más de 2000





I=1.0 Para todas las edificaciones cubiertas por la norma,pero que no pertenecen a ninguno de los gruposanteriores.

personas a la vez, almacenes con más de 500 m2por piso, las edificaciones donde residan más de3000 personas, los edificios gubernamentales.

I=1.0 Para todas las edificaciones cubiertas por la norma,pero que no pertenecen a ninguno de los grupos

anteriores.



“…Espectro de diseño: Las normas establecen que en eldiseño se debe utilizar el espectro elástico de aceleracionesreproducido en la figura 1.12, que involucra unamortiguamiento crítico del 5%:



“…Espectro de diseño: Las normas establecen que en el diseñose debe utilizar el espectro elástico de aceleracionesreproducido en la figura 1.12, que involucra unamortiguamiento crítico del 5%:


construcción sismo resistente “…Grado de irregularidad de la estructura: Corresponde ahoraanalizar el grado de irregularidad de la edificación, tanto en





“…Grado de irregularidad de la estructura: Corresponde ahoraanalizar el grado de irregularidad de la edificación, tanto enplanta como en alzado, para determinar los correspondientescoeficientes de reducción de capacidad de disipación deenergía ϕp y ϕa. Estos coeficientes afectan el valor del

coeficiente básico de modificación de respuesta R0, obtenidode diversas tablas según el sistema estructural empleado paraobtener el coeficiente de modificación de respuesta que seutiliza en el diseño, R, mediante la ecuación:R=ϕpϕaR0

planta como en alzado, para determinar los correspondientescoeficientes de reducción de capacidad de disipación deenergía ϕp, ϕa y ϕr. Estos coeficientes afectan el valor delcoeficiente básico de modificación de respuesta R0, obtenidode diversas tablas según el sistema estructural empleado para

obtener el coeficiente de modificación de respuesta que seutiliza en el diseño, R, mediante la ecuación:R=ϕpϕaϕrR0



“…Método de la fuerza horizontal equivalente: …

2. Con base en las características del perfil del suelo,determinese el coeficiente de sitio S.




2. Con base en las características del perfil del suelo,determinese los coeficientes Fa y Fv.








4. Evalúese el periodo….a) El periodo fundamental aproximado, Ta, en segundos,

puede calcularse por medio de: Ta=Cthn3/4en donde hnes la altura en metros, medida desde la base,de la plaza de cubierta y Ct toma los siguientes valores:

0.08 para pórticos resistentes a momentos de concretoreforzado y para pórticos de acero estructural condiagonales excéntricas

0.09 para pórticos resistentes a momentos de aceroestructural.

0.05 para los otros tipos de sistemas de resistenciasísmica.




4. Evalúese el periodo….b) El periodo fundamental aproximado, Ta, en segundos,

puede calcularse por medio de: Ta=CthαDonde Ct y α toman los siguientes valores:

Sistema estructural de resistencia

sísmicaCt α

Pórticos resistentes a momentos de concretoreforzado que resisten la totalidad de las

fuerzas sísmicas y que no estén limitados oadheridos a componentes más rígidos,estructurales o no estructurales, que limitenlos desplazamientos horizontales al versesometidos a las fuerzas sísmicas.

0.047 0.9

Pórticos resistentes a momentos de concretoreforzado que resisten la totalidad de lasfuerzas sísmicas y que no están limitados oadheridos a componentes más rígidos,estructurales o no estructurales, que limitenlos desplazamientos horizontales al verse

cometidos a las fuerzas sísmicas.

0.072 0.8

Pórticos arriostrados de acero estructural condiagonales excéntricas restringidas a pandeo.

0.073 0.75

Todos los otros sistemas estructuralesbasados en muros de rigidez similar o mayora la de muros de concreto o mampostería.

0.049 0.75

Alternativamente, para estructuras quetengan muros estructurales de concretoreforzado o mampostería estructural, pueden

0.0062Cw

1.00





emplearse los siguientes parámetros Ct y α,

donde Cw se calcula utilizando la ecuaciónA.4.2-4








5. Calcúlese el valor del espectro elástico de aceleraciones dediseño para el valor de T encontrado en el paso anterior,utilizando la fórmula correspondiente obtenida de la figura1.12.

Para periodos de vibración comprendidos entre Tc y TL, Sa sedefine por medio de la siguiente fórmula:

Sa=1,2 AaSIT

En donde:

Sa= máxima aceleración horizontal, expresada como unporcentaje de la gravedad, a que se ve sometido un sistemade un grado de libertad con un periodo de vibración T.

Aa= coeficiente de aceleración correspondiente a laaceleración pico esperada, obtenida en el paso 1.

S= coeficiente de sitio en el paso 2.

I= coeficiente de importancia definido en el paso 3.

T= periodo de vibración del sistema, en segundos, calculadoen el paso 4.

Los valores límites se calculan así:

Tc=0.48s

Y




4. Calcúlese el valor del espectro elástico de aceleraciones dediseño para el valor de T encontrado en el paso anterior,utilizando la fórmula correspondiente obtenida de la figura1.12.

Para periodos de vibración comprendidos entre Tc y TL, Sa sedefine por medio de la siguiente fórmula:

Sa=1,2 AvFvIT

En donde:

Sa= máxima aceleración horizontal, expresada como unporcentaje de la gravedad, a que se ve sometido un sistemade un grado de libertad con un periodo de vibración T.

Av= coeficiente de aceleración correspondiente a la velocidadpico esperada.

Fv= coeficiente de sitio para periodos de mediana duración.

I= coeficiente de importancia.

T= periodo de vibración del sistema, en segundos.

Los valores límites se calculan así:

Tc=0.48AvFvAaFa





TL=2.40s

Para periodos de vibración menores que Tc, el valor de Sapuede limitarse al obtenido de la fórmula:

Sa=2.5AaIPor otra parte para periodos de vibración mayores que TL elvalor de Sa no puede ser menor que el dado por la ecuación:

Sa=AaI2

Y

TL=2.4Fv

Para periodos de vibración menores que Tc, el valor de Sa

puede limitarse al obtenido de la fórmula:Sa=2.5AaFaI

Por otra parte para periodos de vibración mayores que TL elvalor de Sa no puede ser menor que el dado por la ecuación:

Sa=1.2AvFvTLIT2

1.11.2 Título B-Cargas

…Combinaciones de carga

Las combinaciones de carga preescritas dependen del métodoseguido en el análisis de la estructura. En seguida sepresentan las combinaciones básicas exigidas por las NSR-98para los diferentes casos:

Método de esfuerzos de trabajo o verificaciones del estado

límite de servicio. Las combinaciones por estudiar son:

D

D+L

D+W

D+0.7E

D+L+W

1.11.2 Título B-Cargas

…Combinaciones de carga

Las combinaciones de carga preescritas dependen del métodoseguido en el análisis de la estructura. En seguida sepresentan las combinaciones básicas exigidas por las NSR-10para los diferentes casos:

Método de esfuerzos de trabajo o en las verificaciones del

estado límite de servicio. Las combinaciones por estudiar son:

D+F

D+H+F+L+T

D+H+F+(Lr o G o Le)

D+H+F+0.75(L+T)+0.75(Lr o G o Le)

D+H+F+W





D+L+0.7E

En el caso de estructuras metálicas diseñadas por estemétodo, en lugar de las ecuaciones (B.2.3-2) y (B.2.3-5) seusarán las siguientes:

D+L+(Lr o G)

D+L+(Lr o G)+W

D+L+(Lr o G) +0.7E

…

Estructuras de concreto o mampostería estructural, usando elmétodo del estado límite de resistencia,… de acuerdo con lassiguientes combinaciones básicas:

1.4D+1.7L

1.05D+1.28L+1.28W

0.9D+1.3W

1.05D+1.28L+1.0E

0.9D+1.0E

1.4D+1.7L+1.7H

1.05D+1.7L+1.7H

1.05D+1.28L+1.05T

1.4D+1.4T

…

Estructuras de acero y estructuras mixtas diseñadas para elestado límite de resistencia … se deben estudiar las siguientes

D+H+F+0.7E

D+H+F+0.7W+0.75L+0.75(Lr o G o Le)

D+H+F+0.75(0.7E)+0.75L+0.75(Lr o G o Le)

0.6D+W+H

0.6D+0.7E+H

Combinaciones de cargas mayoradas usando el método deresistencia:

1.4(D+F)

1.2(D+F+T)+1.6(L+H)+0.5(Lr o G o Le)

1.2D+1.6(Lr o G o Le)+(L o 0.8W)

1.2D+1.6W+1.0L+0.5(Lr o G o Le)

1.2D+1.0E+1.0L

0.9D+1.6W+1.6H

0.9D+1.0E+1.6H





combinaciones básicas:

1.4D

1.2D+1.6L+0.5(Lr o G)

1.2D+1.6(Lr o G) +(0.5L o 0.8W)

1.2D+1.3W+0.5L+0.5(Lr o G)

1.2D+1.0E+(0.5L o 0.2G)

0.9D-(1.3W o 1.0E)


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