Análisis técnico económico del coeficiente de reducción de respuesta estructural con aplicación y comparación en sistemas aporticados de estructuras metálicas
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Date
2022-09
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Universidad Técnica de Ambato. Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica. Maestría en Ingeniería Civil con Mención en Estructuras Metálicas
Abstract
In this degree work, the analysis and calculation of the seismic reduction factor for a
structure with special moment frames (PEM or SMF) composed of four different
mathematical models where the seismic reduction factor changes with values of R=8,
6, 4, 5 and 3. 5 and 3; performing the dynamic linear structural analysis of the four
models, each structure changes according to the demand required by the seismic
forces, determining that the lower the value of R the larger sections are required in
the structure, in spite of the above, the fundamental vibration period of the structures
was maintained for R= 8, 6 and 4. 5, while for the factor R=3 the period is slightly
reduced resulting in a stiffer structure, as the seismic response factor is reduced,
more robust sections are required to provide more weight to the structure to meet the
demand. An economic analysis was performed with the sections obtained, which
shows that the lower the R value, the structure requires a higher weight and therefore
influences a higher cost, so the structure with the lowest cost is the structure with an
R=8. Additionally, a pseudo-static non-linear analysis was determined to determine
the structural performance of each of the four models using the ATC-40 and FEMA-
440 methods, highlighting that the models maintain the same architectural and
geometric configuration but with different sections in certain elements that required a
higher geometry as the R value decreases, after obtaining the results of the static non-linear analysis, the performance point was determined using the ASCE 41-17 and
FEMA 440 (2005) methodology, resulting in the R=8, 6, 4. 5 and 3 for 475 years has
a performance level in X and Y of immediate occupancy.
For the determination of the structural response factor, the methodology proposed by
Dr. Aguiar 2006 was followed, which is similar to that of ATC-19 (1995), where the
ductility, resistance and redundancy factor is determined, data that are collected from
the performance point obtained for the elastic design spectrum with a return period of
475 years, the structural response factors R obtained establish that the average range
is between 6 and 7.5, on the other hand the structure that presents greater capacity
and performance is the one that was designed with R=4. 5 so having extremely rigid
sections does not guarantee stability and ductility in a structure, finally a high level
of performance (immediate occupation) and seismic energy dissipation capacity is
established in the structure designed with a R=6 where its value is similar and
slightly lower than 4.5, so it is concluded that for a structure of special steel
composite moment frames a design with a structural response factor equal to 6
should be sought.
Description
En el presente trabajo de titulación se realizó el análisis y cálculo del factor de
reducción sísmica para una estructura con pórticos especiales a momentos (PEM o
SMF) compuestos, a partir de dicha estructura se realizó cuatro diferentes modelos
matemáticos donde se cambia el factor de reducción sísmica con valores de R=8, 6,
4.5 y 3; realizando el análisis estructural lineal dinámico de los cuatro modelos, cada
estructura cambia en función de la demanda que requieren las fuerzas sísmicas
determinando que en cuanto menor es el valor de R se requieren mayores secciones
en la estructura, a pesar de lo anotado el periodo de vibración fundamental de las
estructuras se mantuvo para R= 8, 6 y 4.5, mientras que para el factor R=3 el periodo
se reduce ligeramente resultando una estructura más rígida, a medida que se reduce
el factor de respuesta sísmica es necesario secciones más robustas que aporten mayor
peso a la estructura para suplir la demanda. Se realizó un análisis económico con las
secciones obtenidas, el cual refleja que a menor valor de R la estructura requiere un
mayor peso y por ende influye en un mayor costo, por lo que la estructura con menor
costo es la estructura con un R=8. Adicionalmente se determinó un análisis no lineal
pseudo estático para determinar mediante el método de la ATC-40 y FEMA-440 el
desempeño estructural de cada uno de los cuatro modelos, destacando que los
modelos mantienen la misma configuración arquitectónica y geométrica pero con secciones diferentes en ciertos elementos que requerían una mayor geometría según
diminuye el valor de R, al obtener los resultados del análisis no lineal estático se
procedió a buscar el punto de desempeño con la metodología del ASCE 41-17 y
FEMA 440 (2005) dando como resultado que el R=8, 6, 4.5 y 3 para 475 años tiene
un nivel de desempeño en X y Y de ocupación inmediata.
Para la determinación del factor de respuesta estructural se siguió la metodología
planteada por el Dr. Aguiar 2006 que es similar a la del ATC-19 (1995), donde se
determina el factor de ductilidad, resistencia y redundancia, datos que se recogen a
partir del punto de desempeño obtenido para el espectro de diseño elástico con un
periodo de retorno de 475 años, los factores de respuesta estructural R obtenidos nos
establecen que el rango promedio está entre 6 y 7.5, por otra parte la estructura que
presenta mayor capacidad y desempeño es la que fue diseñada con R=4.5 por lo que
tener secciones extremadamente rígidas tampoco garantizan la estabilidad y
ductilidad en una estructura, finalmente se establece un alto nivel desempeño
(ocupación inmediata) y capacidad de disipación de energía sísmica en la estructura
diseñada con un R=6 donde su valor es similar y ligeramente inferior al de 4.5, por lo
que se concluye que para una estructura de pórticos especiales a momento
compuestos en acero se debería buscar un diseño con un factor de respuesta
estructural igual a 6.
Keywords
ANÁLISIS LINEAL, ANÁLISIS NO LINEAL, DEMANDA – CAPACIDAD, DISEÑO SISMORRESISTENTE, DUCTILIDAD, ESPECTRO REDUCIDO, ESPECTRO DE RESPUESTA, FACTOR R, PUSHOVER, RESPUESTA SÍSMICA