R - Factor de Reducción de Fuerza Sismica

Todo lo relacionado con al analisis de estructuras y elementos finitos.

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caebc
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#1

Lun Jun 27, 2011 11:17 pm

Hola colegas, tengo una duda

Es al primera vez que voy a diseñar una cobertura metalica, las dimensiones son de 66x70m, con 3 arcos de 22 de luz cada uno, las columnas q soportan esta cobertura no sé si las haré de concreto armado ( seccion 60x60cm) o algún perfil W de acero A36 pero tienen una altura de 9metros. La cobertura si bien son arcos entramados en un sentido, en el otro son vigas entramadas en el otro, estos arcos están unidos mediante viguetas de 5m de luz hechas de varillas de acero liso, y sobre ellos la cobertura.

Bueno, deseo saber cual es el R que me recomiendan que use para tipo de columna. Estuve leyendo algo en la NSR-98 y dicen q el R para estas estructuras tipo pendulo son alrededor de 2, pero este R variará con el material de la columna. En la norma peruana E030 dan una seria de valores para el R, y el final dicen q estos factores no se aplican a estructuras tipo pendulo invertido.

La cobertura es para Lima Perú, si bien la norma peruana es bastante limitada, si la comparamos con la ASCE 7.

Algunos datos mas, las columnas están unidas al cobertizo articuladamente, y los tijerales están liberados a momento ( como realmente debe ser un tijeral). Por lo tanto si la columna es de concreto o acero, pero la cobertura está articulada con la columna, el R será exclusivamente obtenido de las columnas mas no del cobertizo metalico. Entonces si es de concreto armado sería 8 y sí fuera de acero sería 9.5. estoy bien?

PD: No me pidan realizar un analisis pushover para hallar el verdadero R.



heramir
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#2

Mar Jun 28, 2011 8:38 am

estas seguro que es una estructura tipo pendulo?. Sobre el R hay tantas discusiones, pero bueno, solo te comento como criterio, si es un entramado en tipo cerchas(tijerales) con barras, estas trabajando con axiales(tensión-compresión), por lo que no puedes esperar plastificación, por lo que buscaría un R bajo. Con las columnas puedes trabajar con su momento y cortante de plastificación, es decir, con lo que mas que puede dar la sección, si lo haces así, no tendrías que involucrar el R en ninguna parte, sino que diseñas con lo que mas pueda aguantar la sección.

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caebc
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#3

Mar Jun 28, 2011 9:23 am

heramir escribió:estas seguro que es una estructura tipo pendulo?. Sobre el R hay tantas discusiones, pero bueno, solo te comento como criterio, si es un entramado en tipo cerchas(tijerales) con barras, estas trabajando con axiales(tensión-compresión), por lo que no puedes esperar plastificación, por lo que buscaría un R bajo. Con las columnas puedes trabajar con su momento y cortante de plastificación, es decir, con lo que mas que puede dar la sección, si lo haces así, no tendrías que involucrar el R en ninguna parte, sino que diseñas con lo que mas pueda aguantar la sección.
No tengo muy claro el concepto de estructura tipo pendulo invertido, podrian explicarme este concepto? mi cobertura metalica en arco con columnas de concreto armado entra en este criterio?.

Necesito realizar el diseño sismico estatico a esta estructura para eso necesito hallar el ZUCS/R o sea la cortante basal sismica. Ahora ud me dicen q no debo involucrar el R, pero mi coeficiente sismico saldría muy grande.


heramir
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#4

Mar Jun 28, 2011 9:45 am

Las estructuras de tipo pendulo invertido son aquellas donde el sistema de resistencia sismica actua como uno o varios voladizos aislados y un porcentaje alto de la masa se encuentra concentrada en la parte superior de la estructura.
En colombia aplicamos el sismo sin reducir con R para revisar las derivas. Ya luego que has verificado que tu estructura es lo suficientemente rigida por norma, pasas a diseñar tu elementos pero no con el sismo completo sino reducido por el R. AHora, lo que yo te estoy diciendo es que uese el concepto de plastificación de la sección, (usado mucho en estructuras metálicas). Por ejemplo, con que fuerzas diseñas una conexión? con el momento que te dá el análisis estructural?. Lo que puedes hacer es diseñar la conexión con el momento plástico de la viga, ya que es lo máximo que puede soportar el elemento, de estas fuerzas derivas las fuerzas a columnas y así con los demás elementos. ¿En que momento aparecio R? en ningún lado. Como te digo, este procedimiento es muy frecuente en estructuras metálicas y por supuesto que se peude hacer con el concreto tambien.

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caebc
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#5

Mar Jun 28, 2011 9:57 am

heramir escribió:Las estructuras de tipo pendulo invertido son aquellas donde el sistema de resistencia sismica actua como uno o varios voladizos aislados y un porcentaje alto de la masa se encuentra concentrada en la parte superior de la estructura.
En colombia aplicamos el sismo sin reducir con R para revisar las derivas. Ya luego que has verificado que tu estructura es lo suficientemente rigida por norma, pasas a diseñar tu elementos pero no con el sismo completo sino reducido por el R. AHora, lo que yo te estoy diciendo es que uese el concepto de plastificación de la sección, (usado mucho en estructuras metálicas). Por ejemplo, con que fuerzas diseñas una conexión? con el momento que te dá el análisis estructural?. Lo que puedes hacer es diseñar la conexión con el momento plástico de la viga, ya que es lo máximo que puede soportar el elemento, de estas fuerzas derivas las fuerzas a columnas y así con los demás elementos. ¿En que momento aparecio R? en ningún lado. Como te digo, este procedimiento es muy frecuente en estructuras metálicas y por supuesto que se peude hacer con el concreto tambien.
Muchas gracias heramir, ya todo se me está aclarando. Tendras algún ejemplo de diseño para cobertizos metalicos con este problemas de columnas, necesita observar bien la secuencia de analisis y diseño.

Diseño plastico para concreto armado?? cual norma? yo uso solo el ACI318-05 LRFD

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ingcivilperu
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#6

Mié Jun 29, 2011 8:41 am

caebc escribió:Hola colegas, tengo una duda

Es al primera vez que voy a diseñar una cobertura metalica, las dimensiones son de 66x70m, con 3 arcos de 22 de luz cada uno, las columnas q soportan esta cobertura no sé si las haré de concreto armado ( seccion 60x60cm) o algún perfil W de acero A36 pero tienen una altura de 9metros. La cobertura si bien son arcos entramados en un sentido, en el otro son vigas entramadas en el otro, estos arcos están unidos mediante viguetas de 5m de luz hechas de varillas de acero liso, y sobre ellos la cobertura. ..........PD: No me pidan realizar un analisis pushover para hallar el verdadero R.
La norma E.030 Diseño Sismorresistente es muy limitada (aplicable sólo a edificios), inclusive los valores de R reciben muchas críticas en congresos y conferencias, Te recomiendo que revises la norma vigente colombiana de diseño sismorresistente NSR-10 (2010) y la Instrucción de Acero Estructural (EAE) - España (23 Junio 2011)
El diseño estructural no sólo es que valor de R se debe considerar, las Instrucciones de Acero Estructural (EAE) le abrirán mucho más el panorama sobre el diseño estructural. Saludos!

Descargar:Instrucción de Acero Estructural (EAE) | 22.55MB | PDF 699 pág. | Megaupload | Español

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razancot
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#7

Jue Sep 08, 2011 12:40 am

Amigo heramir.-

No me queda muy claro cuando dices:
heramir escribió:En colombia aplicamos el sismo sin reducir con R para revisar las derivas. Ya luego que has verificado que tu estructura es lo suficientemente rigida por norma, pasas a diseñar tu elementos pero no con el sismo completo sino reducido por el R.
¿Considerar que la estructura deba soportar toda la demanda sísmica en el rango elástico, no se estaría "castigando" excesivamente la estructura, y las consecuentes solicitaciones darían lugar a que se requieran miembros estructurales más robustos o resistentes; lo que evidentemente encarece los costos de construcción?

El Factor de Reducción R considera no solo la ductilidad global, sino también diversas formas de sobrerresistencias, que se espera puedan desarrollar las estructuras "Tipificadas" que satisfagan los correspondientes requisitos normativos. A groso modo, la ductilidad lo que permite básicamente es que la estructura, más allá de haberse excedido su capacidad elástica, tenga un capacidad adicional de disipar la energía impuesta por el sismo considerad mediante su deformación; y donde dicha deformación sea suficiente para evitar el colapso durante dicho sismo. Con el Factor de Reducción R se pretende eliminar la necesidad de analizar la estructura en el rango No-Lineal; relegando esta necesidad tan solo a la verificación de los límites normativos de las derivas resultantes se satisfagan. Es por ello que luego del análisis Lineal, las derivas elásticas se incrementan por el Factor de Reducción R y se reducen por la sobrerresistencia.

Por lo tanto, si obvias el Factor de Reducción R (R=1), asumiendo que la estructura carece de ductilidad, amén del aporte de capacidad por sobrerresistencia, no sólo "castigas" excesivamente la estructura respecto a su capacidad en el rango Lineal (Elástico), sino que también se obtienen en consecuencia derivas mayores a que si consideraras un Factor de Reducción R mayor (R>1); por lo tanto, será más difícil satisfacer los límites normativos de las derivas resultantes.


Ni tampoco cuando dices:
heramir escribió:AHora, lo que yo te estoy diciendo es que uese el concepto de plastificación de la sección, (usado mucho en estructuras metálicas). Por ejemplo, con que fuerzas diseñas una conexión? con el momento que te dá el análisis estructural?. Lo que puedes hacer es diseñar la conexión con el momento plástico de la viga, ya que es lo máximo que puede soportar el elemento, de estas fuerzas derivas las fuerzas a columnas y así con los demás elementos. ¿En que momento aparecio R? en ningún lado. Como te digo, este procedimiento es muy frecuente en estructuras metálicas y por supuesto que se peude hacer con el concreto tambien.

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razancot
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#8

Jue Sep 08, 2011 2:02 am

Amigo heramir.-

No me queda muy claro cuando dices:
heramir escribió:En colombia aplicamos el sismo sin reducir con R para revisar las derivas. Ya luego que has verificado que tu estructura es lo suficientemente rigida por norma, pasas a diseñar tu elementos pero no con el sismo completo sino reducido por el R.
Yo tengo entendido que:
  • Considerar que la estructura deba soportar toda la demanda sísmica en el rango elástico, se estaría "castigando" excesivamente la estructura, y las consecuentes solicitaciones darían lugar a que se requieran miembros estructurales más robustos o resistentes; lo que evidentemente encarece los costos de construcción.

    El Factor de Reducción R considera no solo la ductilidad global, sino también diversas formas de sobrerresistencias, que se espera puedan desarrollar las estructuras "Tipificadas" que satisfagan los correspondientes requisitos normativos. A groso modo, la ductilidad lo que permite básicamente es que la estructura, más allá de haberse excedido su capacidad elástica, tenga un capacidad adicional de disipar la energía impuesta por el sismo considerado, mediante su deformación; y donde dicha deformación sea suficiente para evitar el colapso durante dicho sismo. Una estructura que posea una adecuada ductilidad, es capaz de "Avisar" que va a colapsar, brindando la posibilidad de contar con algo de tiempo para tomar la decisión de evacuación de la edificación.

    Con el Factor de Reducción R se pretende eliminar la necesidad de analizar la estructura en el rango No-Lineal (plástico); relegando esta necesidad tan solo a la verificación de que los límites normativos de las derivas resultantes se satisfagan. Es por ello que luego del análisis Lineal, las derivas elásticas se incrementan por el Factor de Reducción R y se reducen por la sobrerresistencia.

    Por lo tanto, si obvias el Factor de Reducción R (R=1), asumiendo que la estructura carece de ductilidad, amén del aporte de capacidad por sobrerresistencia, no sólo "castigas" excesivamente la estructura respecto a su capacidad en el rango Lineal (Elástico), sino que también se obtienen en consecuencia derivas mayores a que si consideraras un Factor de Reducción R mayor (R>1); y por lo tanto, será más difícil satisfacer los límites normativos de las derivas resultantes.
Entre otras cosas, y sin ánimos de extenderme, tampoco entiendo porqué dices:
heramir escribió:AHora, lo que yo te estoy diciendo es que uese el concepto de plastificación de la sección, (usado mucho en estructuras metálicas). Por ejemplo, con que fuerzas diseñas una conexión? con el momento que te dá el análisis estructural?. Lo que puedes hacer es diseñar la conexión con el momento plástico de la viga, ya que es lo máximo que puede soportar el elemento, de estas fuerzas derivas las fuerzas a columnas y así con los demás elementos. ¿En que momento aparecio R? en ningún lado. Como te digo, este procedimiento es muy frecuente en estructuras metálicas y por supuesto que se puede hacer con el concreto tambien.
  • Ya que que cuando preguntaste "...¿En que momento aparecio R?...", ya te habias respondido inicialmente, cuando dijiste que "...diseñar tu elementos pero no con el sismo completo sino reducido por el R".

    Tengo entendido que el diseño es un "proceso" (Proceso de Diseño), que a grandes rasgos, para la mayoría de las normativas puede explicarse mediante los siguientes pasos:
    • 1) Se parte de un "pre-diseño", en donde orientándose por ciertos criterios o artilugios, se definen preliminarmente los miembros estructurales, y se determinan sus capacidades minoradas (en acero los Estados Límites - LRFD).

      2) Se determinan las demandas mayoradas, producidas por diversas combinaciones de las acciones especificadas en las normativas. ES AQUÍ DONDE ENTRA EN "JUEGO" EL FACTOR DE REDUCCIÓN R, DE CONSIDERARSE ACCIONES SÍSMICAS!

      3) Se verifica que las capacidades minorada de los miembros estructurales sean superiores (pero aproximadas) a las solicitaciones impuestas por las demandas mayoradas; incluyendo, de ser el caso, los efectos P-Delta. DIFÍCILMENTE, ESTO SE LOGRA CON EL PRE-DISEÑO!, por lo que se repetirá lo indicado en 1) y pasando nuevamente a verificar. Esto creo que es lo que responde a tu pregunta "...con que fuerzas diseñas una conexión?...".

      4) Una vez satisfecho lo indicado en 3), se procede a verificar las derivas y separación mínima entre estructuras próximas (si las hay); y consecuentemente, de no satisfacerse los valores límites, se repite 1), 3) y 4). Si aún así, no se consigue una solución al problema, ó si la solución es inviable por cualquier razón, se debe de pensar en modificar o reformar el sistema estructural; atendiendo en lo posible aquello en donde se presente principalmente el problema.

      5) Una vez satisfecho lo indicado en 4) puede decirse, ahora sí, que se ha concluido el diseño!


Mi intención es sólo expresar mi inquietud, dado que como desconozco la normativa Colombiana, tal vez en ella sí se indica un método o procedo de diseño distinto a lo aquí expresado. Esperando a su vez, no haber cometido algún error conceptual; y de ser así, apreciaría mucho que me lo hicieran saber!


heramir
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#9

Jue Sep 08, 2011 1:52 pm

Razancot, estoy totalmente de acuerdo contigo en la apreciación del R para el diseño de estructuras. Incluso te digo, que se esperaba con la nueva norma NSR-10 que los factores de control de deriva no fueran tan exigentes. Actualmente te siguen pidiendo un 1%de deriva, cuando se esperaba 1.5%. Bueno, al menos en estructuras de un solo piso no estan exigiendo una deriva del 1 %, pero tu tienes razón.¿Como nos piden una estructura que sea ductil, pero al tiempo nos exigen una rigidez que va en contra de la disipación?. Pues con esto es que debes jugar Razancot, por eso, por lo menos como yo lo hago, es primero verificar que el modelo estructural compla con derivas,con un sismo que NO se reduce con el R. Una vez tu modelo ya cumpla derivas, corres el modelo nuevamente para obtener las fuerzas de los elementos, pero ahora el sismo si lo reduces por el R, las fuerzas que obtienes de diseño de los elementos sale de combinaciones de carga con el sismo reducido con el R. QUe valor de R? pues ya depende de la zona sísmica en que se encuentra el proyecto, de las irregularidades en planta, de las irregularidades en altura, etc. Como ya he comentado este R es apenas un valor que se especula con base en investigaciones de modelos estructurales, pero no es un R real de la estructura, por eso el diseño tiende hacia el análisis por desempeño donde conoces en Realidad cual es el R real de la estructura.

Para lo de la inquietud de las conexiones, Ranzacot, puedes bajar por internet el título F.3 de la NSR-10, donde se explica con detalle el procedimiento que yo mencioné. Por ahora y para seguir alimentando tus inquietudes te dejo esta formula para que la estudies, la observes, y te daras cuenta a que me refiero con diseñar con lo máximo que puede soportar la sección. Esta formula la encontraras en varias partes del titulo F.3 y de alli se deriva otras formulas como por ejemplo para calcular el cortante de diseño en zona-panel y esas cosas:

M=Ry*Fy*Zx

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razancot
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#10

Lun Sep 12, 2011 2:47 pm

Amigo heramir.-

Seguí tu recomendación y conseguí la norma Colombiana NSR-10, salvo que lo referente al procedimiento lo hallé en el Título A, CAPÍTULO A.3 REQUISITOS GENERALES DE DISEÑO SISMO RESISTENTE, Sub-Sección A.3.1 — BASES GENERALES DE DISEÑO SISMO RESISTENTE, en el apartado A.3.1.1 — PROCEDIMIENTO DE DISEÑO.

Ciertamente el procedimiento de diseño es tal cual como indicaste.


En el procedimiento de diseño se indica que se deben verificar las derivas para las deflexiones horizontales de la estructura obtenidas del análisis que considera las fuerzas sísmicas obtenidas del espectro de diseño. Y como se indicada la Sub-Sección A.2.6 — ESPECTRO DE DISEÑO, apartado A.2.6.1 — Espectro de aceleraciones, se señala cláramente que dicho espectro de diseño es un "espectro elástico de aceleraciones"; y por lo tanto, la Máxima deriva admisible (Δi = δ i − δ i-1 ≤ 0.01hpi) corresponde a una deriva elástica, sin considerar la respuesta dúctil de la estructura.

Sin embargo, encontré que en el CAPÍTULO A.6 REQUISITOS DE LA DERIVA, específicamente en el apartado A.6.1.3 — NECESIDAD DE CONTROLAR LA DERIVA, se señala lo siguiente:
  • "La deriva está asociada con los siguientes efectos durante un temblor:

    (a) Deformación inelástica de los elementos estructurales y no estructurales."
¿¿¿Cómo se considera en la Máxima deriva admisible la respuesta dúctil de la estructura???

Amigo heramir, le propongo que luego de que efectúe el análisis con el espectro reducido por R (R= Фa*Фp*Фr*Ro), verifique de nuevo las derivas resultantes de este análisis, pero multiplicando estas sólo por el factor de ductilidad Ro a ver que resultados obtiene (Δi = Ro*(δ i − δ i-1) ≤ 0.01hpi), y cómo difieren de las obtenidas según el procedimiento normativo.
Por otro lado, mi inquietud cuando señalas "diseñar con lo máximo que puede soportar la sección" (M=Ry*Fy*Zx), consiste en que eso depende del estado límite de agotamiento resistente que gobierne.

Tanto en la norma colombiana como en muchas de las normas modernas para edificaciones en acero se adopta el método de estados límite de agotamiento resistente (LRFD). Básicamente la capacidad de resistencia de un miembro (Tracción Compresión, Corte, Flexión, Elementos de conexión) será el menor entre los valores obtenidos para los estados límites (Plastificación total de la sección, Fluencia, Pandeo lateral-torsional, Pandeo Local, rotura por tensión de la aleta a tensión, etc). Particularmente, en la Sección F.2.6 — DISEÑO DE MIEMBROS A FLEXION se exponen los distintos estados límites que deben ser considerados para determinar cual es la capacidad de diseño (ФbMn) que gobierna.

Para determinar cuál es el estado límite que gobierna la resistencia a la flexión (Mn), principalmente debe tomarse en cuenta lo siguiente:
  • * Relaciones de esbeltez de los elementos que conforman la sección (Sección Compacta-Plástica, Sección Compacta, Sección No Compacta)
    * Longitud entre arriostramientos (Lb)
Si los miembros considerados en el diseño (por ejemplo, por limitaciones en la disponibilidad en el mercado) no cumplen con la clasificación de Sección Compacta, no podría decirse que puede desarrollarse la Plastificación total de la sección; y consecuentemente, no sería aplicable (M=Ry*Fy*Zx) para considerarse en la determinación de la capacidad resistente del miembro.

Por otro lado, fundamentalmente para una elevada amenaza sísmica, se exige en los requisitos normativos modernos una adecuada respuesta dúctil de las estructuras; por lo que para que se garantice que un miembro principal de la estructura esté en capacidad de desarrollar incursiones importantes en el rango inelástico, debe satisfacerse primeramente que dicho miembro sea de Sección Compacta-Plástica o Sección Compacta. Sin embargo, para un nivel menor de amenaza sísmica, puede que se permita en la normativa sísmica el emplear miembros que no necesariamente sean de Sección Compacta-Plástica o Sección Compacta; es decir, que sean de Sección No Compacta.


heramir
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#11

Mar Sep 13, 2011 8:47 am

asi es, y estas en lo cierto, si te fijas, la formula se desarrolla para el título F.3 de la norma NSR-10, la cual se dedeica a provisiones sísmicas.

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razancot
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#12

Mar Sep 13, 2011 12:34 pm

Amigo heramir.-

Anteriormente olvidé señalar que en el caso particular de diseño de una conexión en estructuras de acero, es importante distinguir si se trata de una conexión totalmente rígida o restringida (TR, ó FR en inglés), parcialmente rígida o restringida (PR), ó Flexible (simple, a corte, o articulada).
  • * Para conexiones (TR), usualmente se diseñan estas considerando que puedan desarrollar una capacidad de resistencia a momento no menor a la capacidad del miembro (aunque se acepta hasta un 90% de la capacidad del miembro).

    * Para conexiones (Flexibles), usualmente se diseñan considerando que no pueden desarrollar una capacidad de resistencia a momento (aunque se acepta hasta un 20% de la capacidad del miembro).

    * Y para conexiones (PR), usualmente se diseñan estas considerando que puedan desarrollar una capacidad de resistencia intermedia a lo indicado para (TR) y (Flexibles) (se acepta entre un 20% y 90% de la capacidad del miembro).

Sin embargo, sin ánimos de extenderme, creo pertinente señalar que esta distinción tampoco es la más apropiada, dado que en el mismo Comentario de las Especificaciones ANSI/AISC 360-05 y ANSI/AISC 360-10, en la Sub-Sección B3.6 "Diseño de Conexiones", en la parte donde se expresa lo referente a la "Resistencia de la Conexión", específicamente en la tercera oración del tercer párrafo, se expresa acertadamente lo siguiente:
  • "...Es preciso notar que es posible que una conexión FR tenga una resistencia inferior a la resistencia de la viga. También es posible que una conexión PR alcance una resistencia mayor que la resistencia de la viga."
Lo más adecuado, según ANSI/AISC 360-05 y ANSI/AISC 360-10, es distinguir las conexiones en términos de la rigidez secante de la conexión (Ks=Ms/θs), donde el término (L/EI) está referido a la viga:

(TR): Ks*(L/EI) ≥ 20,
(PR): 2 < Ks*(L/EI) < 20
(Flexibles): Ks*(L/EI) ≤ 2

Aún cuando en otros estándares se expresan otras formas de distinguirlas. Por ejemplo en FEMA, si una conexión que se presume como (TR), contribuye en más 10% de la deriva de piso, debe considerarse dicha conexión como (PR) y no como (TR).

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