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NTC-ACERO Diseño y Construcción de Estructuras de Acero
Actualización de las Normas Técnicas Complementarias para
Diseño y Construcción de Estructuras de Acero del
Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal
Agosto 2014
NTC-ACERO Diseño y Construcción de Estructuras de Acero
Integrantes del comité
• Oscar de Buen López de Heredia
• Raúl Granados Granados
• Raúl Jean Perrilliat
• Tiziano Perea Olvera
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CONTENIDO (Capítulos)
1. Consideraciones generales 2. Análisis y diseño por estabilidad 3. Propiedades geométricas 4. Miembros en tensión 5. Miembros en compresión 6. Miembros en flexión (vigas y trabes armadas) 7. Miembros en cortante 8. Miembros bajo cargas combinadas 9. Miembros compuestos 10. Conexiones 11. Estados límite de servicio 12. Estructuras dúctiles 13. Ejecución de las obras
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CONTENIDO (Apéndices)
A. Diseño plástico
B. Placas base
C. Conexiones de perfiles estructurales huecos (HSS) y en cajón de paredes de grueso uniforme
D. Diseño por fatiga
E. Edificios de un piso
F. Documentos de consulta
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1.4 Materiales
Nomra Propiedades mecánicas
Fy Fu
NMX ASTM Gr. MPa kg/cm² MPa kg/cm² Aceros de alta resistencia y baja aleación
B-284 A572
42 290 2955 415 4220 50 345 3515 450 4570 55 380 3865 485 4920 60 415 4220 515 5275 65 450 4570 550 5625
A913
50 345 3515 415 4220 60 415 4220 515 5275 65 450 4570 550 5625 70 485 4920 620 6330
1.4.1 Acero estructural
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2. Análisis y diseño por estabilidad
Los estudios para determinar la estabilidad de la estructura, han de incluir: • Deformaciones axiales, en flexión y en cortante, de todos los miembros y
conexiones, así como cualquier otra deformación que contribuya a los desplazamientos de la estructura
• Efectos de segundo orden, PΔ y Pδ
• Imperfecciones geométricas
• Reducciones de rigidez debidas a inelasticidad
• Incertidumbres en los valores de rigideces y resistencias
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2. Análisis y diseño por estabilidad
Efecto Definición
PΔ
Son los que producen las cargas verticales al actual sobre la
estructura desplazada lateralmente (Efectos de
conjuntos en toda la estructura)
Pδ
Son los ocasionados por las cargas originalmente axiales,
cuando actúan sobre el miembro deformado entre sus extremos (Efectos individuales en cada
columna)
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2.3 Factor de longitud efectiva y efectos de esbeltez de conjunto
Donde: ΣPU Fuerza vertical de diseño en el entrepiso en consideración Q Factor de comportamiento sísmico. En diseño por viento se toma Q=1.0 ΔOH Desplazamiento horizontal relativo de primer orden de los niveles que
limitan el entrepiso en consideración, en la dirección de análisis, producido por las fuerzas de diseño
ΣH Suma de todas las fuerzas horizontales de diseño que obran encima del entrepiso en consideración
L Altura del entrepiso
U OHP QIL H
Σ Δ=
ΣInestabilidad de entrepiso
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2.4 Métodos de análisis por estabilidad
Se indica como se diseña la estructura desde el punto de vista de su estabilidad Se permiten dos métodos:
• Método directo • Método de la longitud efectiva
Tradicionalmente las estructuras se han dividido en “contraventeadas” y “no-contraventeadas” para el diseño por estabilidad. En esta Norma las estructuras se definen de acuerdo con la forma en que obtienen su rigidez lateral
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2.4 Métodos de análisis por estabilidad
Concepto Longitud efectiva Método directo Tipo de análisis Elástico de segundo orden (1) Elástico de segundo orden (1)
Carga ficticia (2) Ni = 0.003Wi (o Δo = 0.003L)
Ni = 0.003Wi (o Δo = 0.003L)
Rigidez efectiva Nominal EI* = EI EA* = EA
0.8 Nominal EI* = 0.8 EI EA* = 0.8 EA
Resistencia axial PR con KL (3) PR con L (K = 1) Limitaciones I ≤ 0.3 Ninguna (1) Puede realizarse con un método aproximado, iterativo o riguroso. (2) Carga ficticia solo en combinaciones con cargas de gravedad, no se consideran
en cargas que incluyan sismo (3) K = 1 se permite cuando el factor I ≤ 0.08
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2.5 Método de análisis directo
2.5.2.1 Imperfecciones iniciales b) Empleo de fuerzas laterales ficticias (notional loads) para representar
las imperfecciones
1) Las fuerzas laterales ficticias se aplican en todos los niveles, se suman a todas las cargas laterales de otros tipos y se aplican en todas las condiciones de carga
0.003i iN W=
Ni Fuerza lateral ficticia aplicada en el nivel i Wi Carga gravitacional en el nivel i
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2.5 Método de análisis directo
2.5.2.1 Imperfecciones iniciales b) Empleo de fuerzas laterales ficticias (notional loads) para representar
las imperfecciones
3) El coeficiente 0.003 se basa en la relación nominal inicial de falta de verticalidad de entrepiso de 1/500, incrementada en 0.001. Ante el uso de una falta de verticalidad máxima diferente se permite ajustar el coeficiente
4) En estructuras regulares con un índice de estabilidad menor a 0.08, se permite aplicar las fuerzas laterales ficticias únicamente en combinaciones que incluyen sólo cargas verticales
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2.7 Determinación aproximada de los efectos de segundo orden
2.7.2 Determinación de las acciones de diseño Los momentos de segundo orden, se obtienen multiplicando los de primer orden por factores de amplificación: • Momentos de diseño en los extremos de las columnas (PΔ)
• Momentos de diseño en la zona central de la columna (PΔ y Pδ)
2uo ti tpM M B M= +
( )*1 2uo ti tpM B M B M= +
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2.7 Determinación aproximada de los efectos de segundo orden
2.7.2 Determinación de las acciones de diseño Los factores de amplificación de los momentos, B1 y B2:
111 U R e
CBP F P
=−
2 2
2
1 1 1 o bien 1.2 1.21 1.2 1 1OH U U
e
B BQ P Q PIL H P
= = =Δ Σ Σ− − −Σ Σ
En el cálculo de B2 no se considera el efecto Pδ, esa omisión se corrige con el factor 1.2 del denominador
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6. Miembros en flexión
Miembros compactos (tipo 1 o 2) de sección I con dos ejes de simetría y canales, flexionados alrededor del eje de mayor inercia Miembros de sección I de doble simetría con patines no compactos (tipo 3) o esbeltos (tipo 4) y alma compacta (tipo 1 o 2) o no compacta (tipo 3) y flexionados alrededor de su eje de mayor inercia Miembros de sección I de simple o doble simetría con patines tipo 1, 2 o 3 y alma esbelta (tipo 4) flexionados alrededor del eje de mayor inercia Miembros de sección I y canales, flexionados alrededor del eje de menor inercia
Miembros de sección tubular cuadrada o rectangular, laminados (HSS) o formados por cuatro placas soldadas
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6. Miembros en flexión
Miembros de sección tubular circular
Miembros de sección T o formados por dos ángulos espalda con espalda cargados en el plano de simetría Ángulos sencillos
Miembros de sección rectangular o circular maciza
Miembros de sección sin ningún eje de simetría
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6.1 Estados límite
En el diseño de miembros en flexión deben considerarse los estados límite de falla siguientes: a) Formación de un mecanismo con articulaciones plásticas b) Agotamiento de la resistencia a la flexión en la sección crítica, en miembros que
no admiten redistribución de momentos c) Iniciación del flujo plástico en la sección crítica, fluencia (F) d) Pandeo lateral por flexotorsión (PLT)
e) Pandeo local del patín comprimido (PLP) f) Pandeo local del alma, producido por flexión (PLA)
g) Plastificación del alma por cortante h) Pandeo local del alma por cortante
i) Tensión diagonal en el alma j) Flexión y fuerza cortante combinadas
k) Otras formas de pandeo del alma, producidas por fuerzas transversales l) Fatiga
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6.2 Consideraciones generales y resistencias nominales
• Método de cuatro momentos
max
max
12.52.5 3 4 3b
A B C
MCM M M M
=+ + +
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6.2 Consideraciones generales y resistencias nominales
• Método alterno
1
1
2
0.6 0.4 2.5bMCM
−⎡ ⎤⎛ ⎞
= − ≤⎢ ⎥⎜ ⎟⎝ ⎠⎣ ⎦
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6.2 Consideraciones generales y resistencias nominales
Resistencia nominal a flexión en función de la longitud no arriostrada
Longitud no arriostrada, L
elástico PLT inelástico PLT Mp Res
iste
ncia
Nom
inal
de
Flex
ión,
Mn
Cb = 1.0 (resistencia básica)
23e pM M>
0.28M1.15 1 p
n p pe
M M MM
⎛ ⎞= − ≤⎜ ⎟
⎝ ⎠23e pM M≤
2b
e y y aC EM EI GJ I CL Lπ π⎛ ⎞
= + =⎜ ⎟⎝ ⎠
n eM M=
2
2.6b
y aC E JI CL Lπ π⎡ ⎤⎛ ⎞
= +⎢ ⎥⎜ ⎟⎝ ⎠⎢ ⎥⎣ ⎦
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8.1 Miembros en flexocompresión
8.1.3 Dimensionamiento de columnas que forman parte de estructuras regulares. Secciones tipo 1 y 2
0.600.85 1.0uoyU uox
R y R px R py
MP MF P F M F M
+ + ≤
Secciones H o I
0.800.80 1.0uoyU uox
R y R px R py
MP MF P F M F M
+ + ≤
Secciones en cajón o cuadradas
Otras secciones transversales
1.0uoyU uox
R y R px R py
MP MF P F M F M
+ + ≤
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8.1 Miembros en flexocompresión
8.1.3 Dimensionamiento de columnas que forman parte de estructuras regulares. (Revisión de la secciones extremas)
0.600.85 1.0uoyU uox
R y R px R py
MP MF P F M F M
+ + ≤
Secciones H o I
0.800.80 1.0uoyU uox
R y R px R py
MP MF P F M F M
+ + ≤
Secciones en cajón o cuadradas
Otras secciones transversales
1.0uoyU uox
R y R px R py
MP MF P F M F M
+ + ≤
1.0uoyU uox
R y R px R py
MP MF P F M F M
+ + ≤
Secciones tipo 1 y 2 Secciones tipo 3 y 4
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8.1 Miembros en flexocompresión
8.1.3 Dimensionamiento de columnas que forman parte de estructuras regulares. (Revisión de la columna completa)
Secciones tipo 1 y 2 Secciones tipo 3 y 4
**
1.0uoyu uox
C RX R py
MP MR M F M
+ + ≤**
1.0uoyu uox
C RX py
MP MR M M
+ + ≤
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8.1 Miembros en flexocompresión
8.1.5 Ecuaciones de interacción alternas
1.0uyux
R px R py
MMF M F M
α α⎛ ⎞ ⎛ ⎞
+ ≤⎜ ⎟ ⎜ ⎟ʹ′ ʹ′⎝ ⎠ ⎝ ⎠
1.0b uyb ux
R nx R ny
C MC MF M F M
ββ ⎛ ⎞⎛ ⎞+ ≤⎜ ⎟⎜ ⎟ʹ′ ʹ′⎝ ⎠ ⎝ ⎠
Revisión de las secciones extremas:
Revisión de la columna completa:
α y β son coeficientes que dependen de la sección transversal del elemento
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9. Miembros compuestos
• Se tratan en esta Sección columnas compuestas, formadas por perfiles de acero laminados ahogados en concreto reforzado, así como por perfiles tubulares rellenos de concreto
• Se permite usar secciones formadas por placas soldadas ahogados en o rellenas de concreto reforzado
• Esta Sección también aplica a vigas o trabes, armaduras o largueros de alma abierta (“joists”) de acero ahogados en concreto reforzado, o que soportan una losa, interconectados de manera que los dos materiales trabajen en conjunto
• Se tratan vigas compuestas libremente apoyadas o continuas, ligadas con la losa de concreto por medio de conectores de cortante, o ahogadas en concreto
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9. Miembros compuestos
i. perfil de acero ahogado en concreto reforzado ii. tubular circular relleno iii. tubular rectangular relleno iv. sección cajón rellena
(i) (ii) (iii) (iv)
Trabes compuestas
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9. Miembros compuestos
a) Para la determinación de la resistencia de diseño, el concreto deberá tener una resistencia en compresión (f’c):
• Concreto peso normal: 20 MPa (200 kg/cm²) < f’c < 70 MPa (700 kg/cm²)
• Concreto ligero:
20 MPa (200 kg/cm²) < f’c < 40 MPa (400 kg/cm²)
b) El esfuerzo de fluencia mínimo especificado (Fy) del acero estructural y del acero de refuerzo que se utilicen en los cálculos de resistencia de miembros compuestos no deberá exceder 525 MPa (5250 kg/cm²).
Limitación de los materiales
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9. Miembros compuestos
Resistencia nominal de secciones compuestas (columnas) Cuando se aplica el método de la distribución plástica de los esfuerzos, la resistencia nominal se calcula suponiendo que los componentes de acero han alcanzado un esfuerzo Fy en tensión o compresión, y que los componentes de concreto en compresión, debida a fuerza axial y/o flexión, han alcanzado un esfuerzo f’’c, descrito en la Sección 2.1 de las NTC para Diseño y Construcción de Estructuras de Concreto. Limitaciones
Las columnas compuestas deben satisfacer las limitaciones siguientes:
1) El área de la sección transversal del perfil de acero ahogado en concreto o del tubular relleno de ese material debe comprender al menos el 1% del total del área de la sección transversal compuesta
2) En columnas compuestas rellenas de concreto, los perfiles de acero se clasificarán, por pandeo local, de acuerdo con la Sección 9.1.4
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9. Miembros compuestos
Clasificación por pandeo local de seccione compuestas rellenas de concreto
Tabla 9.1 Clasificación de secciones compuestas rellenas por pandeo local
Tipo Descripción Rango
1 Secciones compactas sin pandeo local para diseño sísmico dúctil (Q≥3) λ < λpl
2 Secciones compactas sin pandeo local para diseño sísmico no-dúctil (Q≤2) λ < λp
3 Secciones no-compactas con pandeo local inelástico para diseño no-sísmico λp < λ < λr
4 Secciones esbeltas con pandeo local elástico para diseño no-sísmico λ > λr
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9. Miembros compuestos
Clasificación por pandeo local de seccione compuestas rellenas de concreto
Tabla 9.2 Relaciones límite ancho-grueso de placas en compresión en secciones compuestas rellenas en compresión y flexocompresión Sección
transversal Ancho-grueso λpl λp λr
Paredes de secciones rectangulares
λ = b/t 1.70√E↓s /F↓y 2.12√E↓s /F↓y 3.00√E↓s /F↓y
Paredes de secciones circulares
λ = D/t 0.12 E↓s /F↓y 0.15 E↓s /F↓y 0.20 E↓s /F↓y
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9. Miembros compuestos
Tabla 9.3 Relaciones límite ancho-grueso de placas en compresión en secciones compuestas rellenas en flexión
Sección transversal Ancho-grueso λpl λp λr
Paredes de secciones rectangulares en compresión uniforme (e.g. patines)
λ = b/t 1.70√E↓s /F↓y
2.12√E↓s /F↓y
3.00√E↓s /F↓y
Paredes de secciones rectangulares en compresión no uniforme (e.g. almas)
λ = b/t 2.40√E↓s /F↓y
3.00√E↓s /F↓y
5.00√E↓s /F↓y
Paredes de perfil tubular circular
λ = D/t
0.16 E↓s /F↓y
0.20 E↓s /F↓y
0.30 E↓s /F↓y
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9. Miembros compuestos
Transferencia de la carga en la interfaz
P2
P1 Pu
Pu=∑P
P2P3
P1
(a) (b) (c) Mecanismos de transferencia de la carga
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9. Miembros compuestos
Resistencia de la interfaz acero-concreto La carga transferida en la interfaz concreto-acero se puede resistir con los siguientes mecanismo:
(1) (2) (3) Mecanismos de resistencia de la carga
1) Conectores de cortante 2) Adherencia directa 3) Apoyo directo
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B.1 Diseño de placas base
B.1.1 Diseño de placas base en compresión axial (columnas de sección I o circular)
tp
uP
pf
a) Distribución de presiones supuestas
b) Líneas de flexión supuestas
c) Calculo del momento de diseño
Parámetros para el diseño de una placa base en compresión axial
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B.4 Resistencia en tensión del sistema de anclaje
B.4.3 Resistencia a extracción de las anclas
h hefef
(a) (b)
apA apA apAdo
eh
hef efh
Tipos de anclas: a) barra con gancho de anclaje b) barras con anclaje mecánico
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C.1 Tipos de nudos o conexiones
c) Conexión “K” con abertura
Ø
PP=0
a) Conexión “T” o “Y”
Ø
P
Ø
P
b) Conexión “K” con abertura
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C.1 Tipos de nudos o conexiones
Esquema de tipos de conexiones con placa:
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C.3 Conexiones directas entre perfiles HSS en armaduras
• La resistencia nominal:
Se calcula de acuerdo con el estado límite que rige la falla de la conexión y el tipo de ésta, según que los perfiles sean circulares o rectangulares
nP senθ
Tipo Y o T Tipo a través Tipo K
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C.3 Conexiones directas entre perfiles HSS en armaduras
• La resistencia nominal:
Se calcula de acuerdo con el estado límite que rige la falla de la conexión y el tipo de ésta, según que los perfiles sean circulares o rectangulares
nP senθ
Tipo Y , T o a través Tipo K
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C.4 Conexiones que transmiten momentos entre perfiles HSS
Su resistencia de diseño, FRMn, se determina siguiendo las indicaciones de este apéndice y del capítulo de conexiones.
Tipo Y, T Tipo Y, T o a través
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D. Diseño por fatiga
Grúa viajera
Tiempo0
TENSIÓN
COMPRESIÓN
ESF
UER
ZOS
fsr
fsr
fsr
Nota: f = 0 sisr f = 0max
f = f - fmax minsr
+f
-f
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D. Diseño por fatiga
Tipo de grúa viajera
Carga vertical (incluye impacto)
Carga lateral total (en cualquiera de los dos sentidos) la mayor de
Fuerza de frenado
Carga máxima por
rueda
Carga levantada
Carga total levantada más
carro de traslación
Carga total levantada más peso propio de
la grúa
Máxima fuerza sobre la rueda de
tracción
Operada por cabina o radio-control
125 40 20 10 20
Grúa de electroimán o de cuchara bivalva
125 100 20 10 20
Cargas, como porcentajes de la carga máxima, que deben considerarse en el diseño
Ej. Para una grúa operada por cabina, con una carga máxima por rueda de 40 ton:
( )Carga vertical 125% de la carga máxima por rueda 40 1.25 50t t= = × =
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D. Diseño por fatiga
Tipo de grúa viajera
Carga vertical (incluye impacto)
Carga lateral total (en cualquiera de los dos sentidos) la mayor de
Fuerza de frenado
Carga máxima por
rueda
Carga levantada
Carga total levantada más
carro de traslación
Carga total levantada más peso propio de
la grúa
Máxima fuerza sobre la rueda de
tracción
Grúa de brazo guía o con estibador
125 200 40 15 20
Grúa de mantenimiento 120 30 20 10 20
Grúa de control colgante 110 - 20 10 20
Grúa de cadena 105 - 10 - 10
Mono-puente 115 - 10 - 10
Cargas, como porcentajes de la carga máxima, que deben considerarse en el diseño
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Factor de sobrerresistencia
El factor de sobrerresistencia para las nuevas normas, es función de la ductilidad de la estructura y del sistema estructural resistente al sismo.
2004
2015
10 ; si 42; si
aa
a
T TT TR
T T
⎧ ≤⎪ += ⎨⎪ >⎩
1 0 2R k R k= +
0
2 si 31.75 si 3
QR
Q≥⎧
= ⎨<⎩
1
0.80 poca resistencia sísmica1.00 mayor resistencia sísmica1.25 sistemas estructurales duales
k⎧⎪
= ⎨⎪⎩
( )2 0.5 1 0ak T T= − >
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Factor de sobrerresistencia
El factor de sobre resistencia para las nuevas normas, es función de la ductilidad de la estructura y del sistema estructural resistente al sismo.
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12. Estructuras dúctiles
Estructuración Condición Q Distorsión límite
Marcos rígidos de acero
Marcos con ductilidad alta 4 0.030 Marcos con ductilidad media 3 0.020 Marcos con ductilidad baja 2 0.015 Marcos con armaduras especiales 3 0.020 Marcos con armaduras ordinarias 2 0.015
Marcos de acero rigidizados con contraventeos
Contraventeos excéntricos 4 0.020 Contraventeos restringidos al pandeo
4 0.020
Contraventeos concéntricos dúctiles 3 0.015 Contraventeos concéntricos que trabajan en tensión y compresión
2 0.010
Contraventeos concéntricos que trabajan sólo en tensión
1 0.005
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12. Estructuras dúctiles
Estructuración Condición Q Distorsión límite
Marcos de acero rigidizados con
muros
Muros de placa de acero dúctiles 4 0.020 Muros de placa de acero rígidos 3 0.015 Muros de concreto armado dúctil 3 0.015 Muros de concreto armado no dúctil 2 0.010
Marcos rígidos compuestos
Marcos con ductilidad alta 4 0.030 Marcos con ductilidad media 3 0.025 Vigas de alma abierta dúctiles 3 0.025 Conexiones semirrígidas compuestas
3 0.025
Vigas de alma abierta con ductilidad baja
2 0.015
Marcos con ductilidad baja 2 0.015
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12. Estructuras dúctiles
Estructuración Condición Q Distorsión límite
Marcos compuestos
rigidizados con
Contraventeos excéntricos 4 0.020 Contraventeos restringidos al pandeo
4 0.020
Muros de placa de acero dúctiles 4 0.020 Muros compuestos 4 0.020 Contraventeos concéntricos dúctiles 3 0.015 Muros de concreto armado dúctiles 3 0.015 Muros de placa de acero rígidos 3 0.015 Muros de concreto armado no dúctiles
2 0.010
Contraventeos concéntricos de ductilidad limitada
2 0.010
Columnas de acero o compuestas en
voladizo
Ductilidad limitada 2 0.010 Ductilidad baja 1.5 0.005
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12.1 Requisitos Generales
Materiales La gráfica esfuerzo de tensión-deformación del acero tendrá una zona de cedencia con un alargamiento máximo no menor de 1%, seguida de una zona de endurecimiento por deformación. El alargamiento correspondiente al esfuerzo de ruptura no será menor de 20%.
Esf
uerz
o
Deformación
elás
tico
cedencia
endurecimiento por deformación
esfuerzo de ruptura Fy
Fu
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12.1 Requisitos Generales
Materiales La resistencia requerida de un elemento se determinará con el esfuerzo de fluencia esperado: O, en su caso, el esfuerzo último esperado:
ye y yF R F=
ue u uF R F=
El acero NMX B-254, para el uso en perfiles laminados y barras
( )( )1.5 250 375yeF MPa MPa= =
( )( )1.2 400 480yuF MPa MPa= =
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12.1 Requisitos Generales
Acero de perfiles laminados y barras Ry Ru NMX B-254 (ASTM A36) 1.5 1.2
(ASTM A1043 Gr. 36) 1.3 1.1 NMX B-284 Gr. 345, 380 (ASTM A572 Gr. 50, 55) 1.1 1.1
(ASTM A913 Gr. 50, 60, 65) 1.2 1.1 (ASTM A588) 1.2 1.2 (ASTM A992) 1.1 1.2
Acero de perfile huecos Ry Ru NMX B-199 (ASTM A500 Gr. B, C)
1.4 1.3 NMX B-200 (ASTM A501)
Coeficientes para la determinación de Fye y Fue
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12.1 Requisitos Generales
Acero de tubos Ry Ru NMX B-177 (ASTM A53) 1.6 1.2
Acero de placas Ry Ru NMX B-254 (ASTM A36) 1.3 1.2
(ASTM A1043 Gr. 36) 1.3 1.1 NMX B-248 Gr. 380 (A1011 Gr. 55) 1.1 1.1
NMX B-284 Gr. 290 (ASTM A572 Gr. 42) 1.3 1.0 NMX B-284 Gr. 345, 380 (ASTM A572 Gr. 50, 55)
(ASTM A588) 1.1 1.2
(ASTM 1043 Gr. 50) 1.2 1.1
Acero de refuerzo Ry Ru NMX B-506, C-407 (ASTM A615)
1.25 1.25 NMX B-457 (ASTM A706)
Coeficientes para la determinación de Fye y Fue
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12.1 Requisitos Generales
Flexión o Flexocompresión
Flexión
Flexocompresión
M/Mp
P/Py
0.1Py
y yP AF=
Pu ≤ 0.1Py
No se permiten fallas por cortante
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12.1 Requisitos Generales
Miembros en flexión (Requisitos geométricos)
Relación claro libre/peralte
5ld≥
Ductilidad media
7ld≥
Ductilidad alta
d
l
d
l
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12.1 Requisitos Generales
Miembros en flexión (Requisitos geométricos) Máxima excentricidad permitida entre vigas y columnas.
bc
≤1/10bc
El eje de las vigas no deberá separarse horizontalmente del de las columnas más de un décimo de la dimensión transversal de la columna normal a la viga.
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12.1 Requisitos Generales
Miembros en flexión (Requisitos geométricos)
Dos ejes de simetría Soldadura de penetración completa para secciones I armadas en zonas de articulación plástica
Placas de refuerzo en ambos patines para mantener dos ejes de simetría
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12.1 Requisitos Generales
Miembros en flexión (Requisitos geométricos)
d
= d
Zona de articulación plástica
No se permiten empalmes de ningún tipo, en las zonas de articulaciones plásticas
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12.1 Requisitos Generales
Miembros en flexión (Requisitos para fuerza cortante) Formación de la articulación plástica antes de una posible falla por cortante
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12.1 Requisitos Generales
Miembros en flexión (Requisitos para fuerza cortante) Momento máximo probable en la articulación plástica:
pr pr y yM C R F Z=
Ry Cociente del esfuerzo de fluencia esperado entre el mínimo especificado
Z Módulo de sección plástico en la sección Cpr coeficiente que tiene en cuenta incrementos en la resistencia por
endurecimiento por deformación, restricciones locales y otros factores
1.22y u
pry
F FC
F+
= ≤
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12.1 Requisitos Generales
Miembros en flexión (Contraventeo lateral) Soporte lateral a todas las secciones transversales de las vigas que puedan formarse articulaciones plásticas asociadas.
Miembros de ductilidad alta
( )0.086u y yL r E F=
( )0.17u y yL r E F=
Miembros de media o baja
Lu Losa de concreto actuando como soporte lateral para el patín superior
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12.1 Requisitos Generales
Miembros flexocomprimidos (Requisitos geométricos)
• Si la sección transversal es H, el ancho de los patines no será mayor que el peralte total, la relación peralte–ancho del patín no excederá de 1.5 y el ancho de los patines será de 200 mm o más.
L1
L2 1 22LL
≤
1 200L mm≥
• La relación de esbeltez máxima de las columnas no excederá de 60.
• Si la sección transversal es rectangular hueca: la relación de la mayor a la menor de sus dimensiones exteriores no debe exceder de 2 y la dimensión menor será mayor o igual que 200 mm.
2 1L L>
b
h
b h≤1.5b h ≤
200b mm≥
60KLr≤
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12.1 Requisitos Generales
Miembros flexocomprimidos (Resistencia mínima en flexión)
*
* 1.0pc
pv
MMΣ
>Σ
ΣMpc* Suma de los momentos en las columnas en un plano que concurren en la junta ΣMpv* Suma de los momentos en las vigas situados en el mismo plano
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12.1 Requisitos Generales
Miembros flexocomprimidos (Requisitos para fuerza cortante) La fuerza de diseño se obtendrá del equilibrio del miembro, considerando su longitud igual a la altura libre y suponiendo que en sus extremos obran momentos del mismo sentido y de magnitud:
Longitud
( )c yc aM Z F f= −
( )c yc aM Z F f= −
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12.1 Requisitos Generales
Empalmes de columna
Empalme atornillado
Empalme soldadura de penetración completa
H
1.2m o H/2 > dc
dc
pcV M H= Resistencia a cortante: mayor o igual al menor de los momentos extremos de la columna, entre la altura libre
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12.1 Requisitos Generales
Zonas protegidas Las partes del sistema, que resiste las acciones sísmicas, que se espera se comporten inelásticamente durante eventos sísmicos.
Se prohíben discontinuidades creadas por cambios bruscos de sección o por operaciones de fabricación. No se permiten elementos de conexión
discontinuidad no permitida
conectores de cortante para losa, no permitidos
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12.1 Requisitos Generales
Soldaduras de demanda crítica Son soldaduras en el sistema que resisten las acciones sísmicas que requieran metal de aportación con propiedades particulares y condiciones especiales de colocación e inspección.
Demanda Crítica
Demanda Crítica
Electrodo de 480 MPa
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12.1 Requisitos Generales
Soldaduras de demanda crítica (Tenacidad) Tipo de soldadura Tenacidad con Prueba Charpy en V Soldaduras definidas de demanda crítica
no menor que 27 J a -29 °C ni que 54 J a 20 °C
Soldaduras usadas en sistemas sismo-resistente
no menor que 27 J a -18 °C
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12.1 Requisitos Generales
Relaciones Ancho/Grueso Ductilidad alta: Las relaciones ancho/grueso no deberá exceder el límite λda Ductilidad media: Las relaciones ancho/grueso no deberá exceder el límite λdm
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12.1 Requisitos Generales
Relaciones Ancho/Grueso
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12.1 Requisitos Generales
Relaciones Ancho/Grueso
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12. Estructuras dúctiles
• Marcos rígidos de acero
• Marcos de acero con contraventeos
• Marcos con muros de placa dúctiles
• Marcos rígidos compuestos
• Marcos compuestos con contraventeos
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12. Estructuras dúctiles
• Marcos rígidos de acero
• Marcos de acero con contraventeos
• Marcos con muros de placa dúctiles
• Marcos rígidos compuestos
• Marcos compuestos con contraventeos
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Marcos rígidos de acero
• Marcos rígidos de ductilidad Alta Media Baja
• Marcos rígidos con armaduras especiales
• Columnas en voladizo de ductilidad Limitada Baja
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Marcos rígidos de ductilidad alta
Capacidad importante de deformación inelástica ocasionada por fluencia en flexión de vigas y por la fluencia limitada de las zonas de panel en las columnas.
Zona de panel
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Marcos rígidos de ductilidad alta
• Requisitos adicionales en zonas de formación de articulaciones plásticas
d
= d
Soporte lateral en zona de articulación plástica
Ambos patines soportados lateralmente
0.06 y y vu
o
R F ZP
h=
ho
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Marcos rígidos de ductilidad alta
• Columnas Estructuras del grupo A, localizadas en las zonas II o III, la carga axial no excederá de 0.3AtFy para cualquier combinación que involucre acciones sismo.
0.3u t yP A F≤
Sismo
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Marcos rígidos de ductilidad alta
• Uniones viga-columna Las uniones deben cumplir la relación:
*
* 1.0pc
pv
MMΣ
>Σ
• Estabilidad de la viga-columna
a) Conexiones con soporte lateral
b) Conexiones sin soporte lateral
La relación de esbeltez de las columnas, L/r, no será mayor que 60
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Marcos rígidos de ductilidad alta
• Soldaduras de demanda crítica
SPC: Soldadura de penetración completa
SPC
SPC
Soldaduras en empalmes de columnas
Soldaduras entre el alma y los patines de vigas
Soldaduras en las uniones de columnas y placas base
≥1.2m
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Marcos rígidos de ductilidad alta
• Resistencia de la conexión 0.04rad Distorsión máxima de entrepiso
Al alcanzar la distorsión de 0.04 rad, la conexión deberá todavía mantener una resistencia del 80% del momento plástico de la articulación.
Mpr
Vap MC
VC ( )c pr ap hM M V S= + ×
c apV V=
Sh
Lh
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Marcos rígidos de ductilidad media
• Diferencias entre marcos rígidos de ductilidad media con respecto a ductilidad alta:
Miembros de ductilidad alta
( )0.086u y yL r E F= ( )0.17u y yL r E F=
Miembros de ductilidad media
Contraventeo lateral:
Distorsión máxima de entre piso: 0.04 rad 0.02 rad
Uniones viga-columna: *
* 1.0pc
pv
MMΣ
>Σ
Sólo recomendable
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Marcos rígidos de ductilidad media
• Los marcos rígidos de ductilidad baja se pueden diseñar para una rotación de 0.02 rad.
• No se presentarán articulaciones plásticas
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Marcos rígidos con armaduras especiales
Segmento especial en X
Segmento especial tipo Vierendeel
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Columnas en voladizo de ductilidad limitada
La carga axial actuante, no debe de exceder del 15 % de la carga axial resistente, en combinaciones de carga que incluyan sismo
≤ 10.0 m
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Estructuras Dúctiles
• Marcos rígidos de acero
• Marcos de acero con contraventeos
• Marcos con muros de placa dúctiles
• Marcos rígidos compuestos
• Marcos compuestos con contraventeos
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Marcos de acero con contraventeos
1. Marcos con contraventeos excéntricos
2. Marcos con contraventeos restringidos contra el pandeo
3. Marcos con contraventeos concéntricos de ductilidad alta
4. Marcos con contraventeos concéntricos de ductilidad baja
5. Marcos rigidizados con contraventeos concéntricos que trabajan solo en tensión
6. Contraventeos en estructuras cuyo diseño queda regido por viento
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Marcos con contraventeos excéntricos
Compuestos por columnas, vigas y diagonales. Se distinguen en que cuando menos un extremo de cada diagonal se une a una viga de manera que las acciones en la diagonal se transmiten al resto de la estructura por fuerza cortante y flexión de un segmento corto de la viga, eslabón dúctil.
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Marcos con contraventeos excéntricos
El eslabón debe tener la resistencia adecuada y una alta capacidad de deformación inelástico, por flujo en flexión o cortante, mientras los demás elementos se mantienen en el intervalo elástico.
No muy común
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Marcos con contraventeos excéntricos
Eslabones • Deben tener las características siguientes: 1) Ser tipo 1, laminados o formados por secciones armadas. No usar HSS
I laminada I armada cajón armado HSS rectangular
2) No se permiten placas adosadas o reforzadas
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Marcos con contraventeos excéntricos
Eslabones • Deben tener las características siguientes: 3) El fy máximo será de 3515 kg/cm² 4) Cuando sea sección armada, se usará soldadura de penetración completa
I armada cajón armado
5) En secciones en cajón, el momento de inercia alrededor del eje de simetría vertical, será mayor que 2/3 del momento de inercia alrededor del eje de simetría horizontal
CJP
CJP
Y
X
23y xI I≥
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Marcos con contraventeos excéntricos
• El eslabón se diseña por fluencia, ya sea por cortante o por fluencia
n pV V=
cuando 0.15u yP P ≤
0.60p y aV F A=
cuando 0.15u yP P >
( )20.60 1p y a u yV F A P P= −
Eslabón fluye por cortante:
2n pV M e=
cuando 0.15u yP P ≤
p y xM F Z=
cuando 0.15u yP P >
( )1.18 1p y x u yM F Z P P⎡ ⎤= −⎣ ⎦
Eslabón fluye por flexión:
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Marcos con contraventeos excéntricos
Longitud del eslabón Está limitada en caso de que en el eslabón Pu/Py > 0.15
Cuando 0.5ρ ≤
1.6 p
p
Me
V≤
Cuando 0.5ρ >
1.6 p
p
Me
V≤
u y
u p
P PV V
ρ =
e
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Marcos con contraventeos excéntricos
Ángulo de rotación del eslabón
1.6 0.08 radianes2.6 0.02 radianes
p p
p p
M Ve
M V≤ →⎧⎨≥ →⎩
Ángulo del eslabón
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Marcos con contraventeos excéntricos
Atiesadores en los eslabones (Secciones I)
• En los extremos del eslabón: El ancho no será menor que bp – 2ta y su espesor no menor que 0.75ta o 10 mm
e Atiesador extremo
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Marcos con contraventeos excéntricos
Atiesadores en los eslabones (Secciones I)
• En el interior del eslabón
s
La separación en función del ángulo del eslabón.
30 para 0.08 radianes5
50 para 0.02 radianes5
a
a
dts
dt
⎧ −⎪= ⎨⎪ −⎩
Requisito para longitudes de eslabón, e, mayores 2.6Mp/Vp y menores que 5.0Mp/Vp 1.5bp
e
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Marcos con contraventeos excéntricos
Atiesadores en los eslabones (Secciones en cajón)
• El ancho de cada atiesador no será menor de b/2
• El espesor no menor que 0.75ta o 13 mm • Los eslabones intermedios se colocarán con
una separación no mayor que:
( )220
8p
a
d ts t
−= −
• Los eslabones de longitud mayor que 1.6Mp/Vp no requieren eslabones intermedios
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Marcos con contraventeos excéntricos
Conexiones eslabón-columna
• Conexión rígida para la transmisión de la flexión
• El cortante de la conexión será igual al cortante nominal del eslabón
• El momento en el eslabón será igual a:
1.25 secciones I1.4 secciones cajón
y p
y p
R eVM
R eV⎧
= ⎨⎩
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Marcos con contraventeos excéntricos
Conexiones de las diagonales • Cuando se utilicen agujeros sobredimensionados se verificará el estado límite de
deslizamiento de los tornillos.
• Si la conexión se diseña para que resista una porción del momento en el extremo del eslabón, se considerará completamente rígida.
• La intersección de los ejes centroidales de la diagonal y del eslabón debe estar en la terminación del eslabón o dentro de él.
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Marcos con contraventeos restringidos contra el pandeo
• Componentes de un contraventeo restringido contra el pandeo
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Marcos con contraventeos concéntricos de ductilidad alta
Diseño: Formados por columnas, vigas y diagonales que se unen al resto de la estructura sin excentricidades, es decir, en cada conexión los ejes de los miembros que llegan a ella se interceptan en un punto.
Configuración en V y en V invertida
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Marcos con contraventeos concéntricos de ductilidad alta
Configuración en diagonal sencilla
Configuración en X y en X en dos niveles
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Marcos con contraventeos concéntricos de ductilidad alta
Distribución de fuerzas laterales Cuando menos el 30% pero no más del 70% de la fuerza horizontal soportado por las diagonales en tensión
70%
30% Diagonal en tensión
Diagonal en compresión
Se trata de balancear la resistencia a tensión y compresión, debido a que la resistencia del contraventeo en pandeo es menor a su resistencia a tensión.
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Marcos con contraventeos concéntricos de ductilidad alta
Fuerza axial máxima que aplican los contraventeos a columnas y vigas.
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Marcos con contraventeos concéntricos de ductilidad alta
Conexiones de las diagonales de contraventeo La resistencia de las conexiones: a) Tendrán una resistencia no menor que la más pequeña de: la
resistencia esperada en tensión del contraventeo o la fuerza máxima obtenida del análisis.
b) La resistencia en tensión de las conexiones debe resistir los estados límite de fractura en la sección neta y de ruptura en bloque por cortante y tensión.
c) La resistencia en compresión de las debe resistir el estado límite de pandeo.
d) La resistencia en flexión de la conexión en la dirección en que se pandeará el contraventeo será igual o mayor que la resistencia requerida esperada del contraventeo flexionado alrededor del eje de pandeo, multiplicada por 1.1, (1.1Ry Mp).
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Marcos con contraventeos concéntricos de ductilidad alta
Conexiones de las diagonales de contraventeo La resistencia de las conexiones: e) En el diseño de las placas de conexión deben considerarse sus
posibles formas de pandeo. f) Su geometría debe cumplir con:
2t placa de conexión t =espesor
de la placa
2t
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Marcos con contraventeos concéntricos de ductilidad alta
Conexiones de las diagonales de contraventeo
> 2t
Michael D. Engelhardt
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Marcos con contraventeos concéntricos de ductilidad alta
Consideraciones especiales para la configuración de las diagonales Las vigas a las que se unen los contraventeos en V y en V invertida deben satisfacer los requisitos siguientes:
1) Soportarse lateralmente para que satisfagan los requisitos de miembros de ductilidad media
2) Soportarse lateralmente en la zona de la conexión con las diagonales
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Marcos con contraventeos concéntricos de ductilidad alta
3) Ser continuas entre columnas
4) Resistir los efectos de todas las cargas gravitacionales tributarias, muertas y vivas, suponiendo que el contraventeo no existe
Continuidad entre columnas
Cargas sin incluir el efecto sísmico
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Marcos con contraventeos concéntricos de ductilidad alta
Consideraciones especiales para la configuración de las diagonales 5) Resistir los efectos anteriores más una carga vertical aplicada por las
diagonales:
0.3 cRy yR P
θ
Atiesador para reforzar el alma de la viga
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Marcos con contraventeos concéntricos de ductilidad alta
Consideraciones especiales para la configuración de las diagonales En contraventeos concéntricos, no se permite usar diagonales en K, conectadas en un solo punto y en un sólo lado de la columna.
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Estructuras Dúctiles
• Marcos rígidos de acero
• Marcos de acero con contraventeos
• Marcos con muros de placa dúctiles
• Marcos rígidos compuestos
• Marcos compuestos con contraventeos
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Marcos con muros de placa dúctiles
1. Bases de diseño
2. Análisis
3. Requisitos del sistema
4. Miembros
5. Conexiones
6. Almas perforadas
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Estructuras Dúctiles
• Marcos rígidos de acero
• Marcos de acero con contraventeos
• Marcos con muros de placa dúctiles
• Marcos rígidos compuestos
• Marcos compuestos con contraventeos
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Marcos rígidos compuestos
• Marcos compuestos con ductilidad
Algunos aspectos de los requerimientos para marcos compuestos son similares a los encontrados en marcos compuestos rígidos.
• Marcos con conexiones semirrígidas compuestas
Alta Media Baja
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Marcos compuestos con ductilidad alta
Detallado de columnas compuestas ahogadas Las columnas compuestas ahogadas deben satisfacer el Capítulo 9 de esta Norma, y los elementos de acero deben satisfacer los requisitos de ductilidad especial de la sección 12.2.1. Se deberán cumplir: 1. Área transversal del perfil de acero debe de ser igual o mayor al 1% del
área de la sección compuesta 2. El área del refuerzo transversal deberá ser no menor que:
'
0.09 1 y a csh cc
R yr
F A fA h sP F
⎛ ⎞⎛ ⎞≥ − ⎜ ⎟⎜ ⎟
⎝ ⎠⎝ ⎠Dónde hcc es el peralte de la sección transversal del concreto confinado por el refuerzo transversal, s es la separación
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Marcos compuestos con ductilidad alta
Detallado de columnas compuestas ahogadas 3. La separación, s, del refuerzo transversal en los extremos no será
mayor que: a) bc/4 , donde bc es la dimensión menor de la sección transversal b) 6dr , donde dr es el diámetro mayor de las varillas de refuerzo longitudinal c) 12drt , donde drt es el diámetro del refuerzo transversal d) 15 cm
4. La separación indicada anteriormente se conserva en el nodo viga-columna y se extiende hacia el centro de la columna en una longitud, medida desde el paño inferior de la viga, de: a) Un cuarto de la altura libre de la columna b) 1.5 veces la dimensión mayor de la sección transversal c) 75 cm
5. No se permite el uso de mallas electrosoldadas como acero de refuerzo
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Marcos compuestos con ductilidad alta
Detallado de columnas compuestas rellenas Las columnas compuestas ahogadas deben satisfacer el Capítulo 9 de esta Norma. Se deberán cumplir: 1. Los diafragmas o placas de continuidad en columnas compuestas
rellenas pueden ser interiores o exteriores. Se recomienda utilizar concreto de auto-compactación, o un producto similar, que evite los problemas de segregación, un mal vibrado o alta concentración por secado.
2. En columnas compuestas rellenas, de sección cuadrada o rectangular, deben colocarse refuerzos exteriores temporales durante el colado del concreto fresco, que no se retirarán hasta que el concreto alcance el 70% de la resistencia de diseño.
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Marcos compuestos con ductilidad alta
Resistencia requerida a cortante de la conexión Será el mayor de: a) El cortante obtenido en el análisis estructural
b) El cortante obtenido por la expresión:
2u pe hV M L=
Mpe es el momento plástico esperado de la viga Lh es la distancia entre los centros de las articulaciones plásticas de la viga
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Estructuras Dúctiles
• Marcos rígidos de acero
• Marcos de acero con contraventeos
• Marcos con muros de placa dúctiles
• Marcos rígidos compuestos
• Marcos compuestos con contraventeos
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Marcos compuestos con contravientos
1. Marcos compuestos con contravientos excéntricos
2. Marcos compuestos con contravientos restringidos al pandeo
3. Marcos con contravientos concéntricos de ductilidad alta
4. Marcos con contravientos concéntricos de ductilidad baja