Parámetros de diseño sísmico para edificios estructurados a partir de marcos autocentrantes de acero

Abstract

Un marco autocentrante de acero consiste básicamente en una unión viga columna que tiene la particularidad de no quedar con deformaciones remanentes significativas cuando es sometida a cargas laterales. Dicho sistema consiste, a grandes rasgos, en involucrar un cable pretensado a lo largo del sistema resistente del edificio. Este sistema de unión fue ideado y diseñado en la universidad de Lehigh, Pennsylvania, Estados Unidos; y aunque no se han probado modelos a escala real, se han ensayado especímenes a menor escala junto con modelos analíticos, mostrando en base a estos resultados las bondades de dicha estructuración. Este trabajo consiste en el estudio del comportamiento sísmico de edificios estructurados a partir de marcos autocentrantes de acero. Los objetivos del trabajo son la obtención de los parámetros de diseño sísmico (en base a análisis no lineales) y la propuesta de las respectivas recomendaciones de diseño. Primero, se revisó antecedentes generales acerca del predimensionamiento de los edificios utilizados, involucrando la metodología a utilizar en su dimensionamiento, así como las consideraciones de diseño (ubicación, importancia, entre otros). Posteriormente, se procedió a realizar el diseño de tres edificios prototipo (de 3, 10 y 20 pisos), revisando el cumplimiento de las normas vigentes. Luego, se realizó los análisis no lineales de cada estructura, estudiando los edificios diseñados a partir del análisis de modelos planos de los ejes resistentes, utilizando no linealidades debido a cargas (estáticas y dinámicas) y materiales. Esto involucra la determinación de la capacidad y la demanda sísmica de la estructura. Para el caso de la capacidad, se tiene dos alternativas de evaluación: Análisis no lineal estático (Pushover) y análisis no lineal dinámico (time-history), mediante el uso de registros escalados del terremoto del 27 de Febrero de 2010. Con esto, se procedió a determinar el factor de modificación de la respuesta estructural para este tipo de edificio, así como también el factor de sobreresistencia Ω_0 y el factor de amplificación de la deflexión, C_d. Finalmente, se realizó un análisis de sensibilidad respecto al uso del corte mínimo estipulado en la norma de diseño correspondiente, estudio que proporciona recomendaciones de diseño importantes en cuanto a comportamiento y optimización de elementos estructurales. El resultado de los análisis arroja que de acuerdo a las consideraciones bibliográficas es correcto diseñar edificios prototipo considerándolos como marcos especiales. Sin embargo, para edificios altos no es necesario considerar la restricción de corte mínimo, lo cual posibilita tener diseños menos pesados y con mejores comportamientos. Se encontró que los diseños poseen una alta sobrerresistencia y una nula reducción por ductilidad, teniéndose en consecuencia, para este tipo de estructuración, un valor de R_0 = 4. Esto se debe al aumento de resistencia que poseen los marcos al estar integrados con cables lo que conlleva al poco daño ocasionado por los registros usados. La evaluación de la respuesta de estos sistemas, frente al conjunto de acelerogramas chilenos, indica desplazamientos máximos de piso iguales o inferiores al 0.2% de la altura de éstos. La comparación entre la respuesta lineal-elástica y la respuesta no lineal de los modelos sugiere que los edificios diseñados no incursionaron en el rango inelástico. Finalmente, se obtuvo la comparación entre marcos convencionales y marcos autocentrantes, teniéndose la nula presencia de desplazamientos laterales para los últimos.