Diseño de factores de carga y resistencia (LRFD) de edificio de acero de seis niveles, con combinación cuadrática completa (CQC) para análisis sísmico.

Abstract

INTRODUCCIÓN. Para poder asimilar las especificaciones LRFD como un método de diseño confiable y seguro es imprescindible que se conozcan los fundamentos básicos sobre los cuales el método apoya su teoría y especificaciones. Por esta razón se presenta al inicio del tercer capítulo del presente trabajo una descripción bastante completa del concepto de diseño por LRFD, definiendo entre otros los conceptos de estados límite, factores de carga y resistencia utilizados, y la concepción de seguridad estructural que proporciona el método. Es importante del conocimiento del comportamiento del acero estructural bajo la acción de varios tipos de esfuerzos como lo son de tensión, para el caso de riostras de edificaciones; de compresión, para el caso de columnas; flexión pura, para el caso de vigas; y flexocompresión para el caso de columnas pertenecientes a una edificación. Este es el caso de columnas de edificios sometidos a fuerzas laterales como lo son las cargas de viento y sismo. Debido a la importancia del dominio de estos conceptos por parte del ingeniero estructural y con el objeto de presentarlos de una manera clara y detallada, se presentan en el tercer capítulo los fundamentos teóricos de los tipos de esfuerzos mencionados, así como las fórmulas, tablas, y especificaciones dadas en el manual LRFD, haciendo la notación del capítulo y sección de donde fue tomada la referencia, con el objeto de que el lector pueda dirigirse al manual a profundizar algún punto específico de su interés. Debido al enfoque de diseño estructural de edificaciones de acero, se consideró importante incluir las especificaciones utilizadas en las conexiones de los elementos. En el mismo capitulo en el que se encuentran las bases teóricas del método LRFD, se incluye una descripción de los tipos de conexiones utilizadas en estructuras de marcos de edificios, mencionando los diferentes tipos de resistencias que cada uno posee dependiendo si las uniones se realizan por medio de pernos o de soldadura. En el caso de las conexiones por medio de pernos, se hace énfasis en los pernos de alta resistencia y en su capacidad de soportar esfuerzos de corte y de tensión, los cuales son los principales esfuerzos a los cuales los pernos se verán sometidos debido a su colocación en los elementos que unen, como lo son las vigas y las columnas. Para el caso de las soldaduras, se oriento la descripción a las soldaduras de filete, pues en el tipo de conexión definido para el edificio, son las soldaduras más adecuadas. En el cuarto capítulo del presente trabajo, se pretende dar a conocer al lector los principios de dinámica estructural aplicados a la edificación. Estos conceptos deben ser claramente comprendidos para la correcta interpretación de los datos obtenidos de los análisis sísmicos aplicados a la estructura. No se pretende abarcar todos los temas de dinámica estructural, pues esto sería demasiado extenso y se perdería el enfoque del diseño estructural del edificio. Sin embargo, sí se definen conceptos elementales como lo son los grados de libertad, los sistemas lineales de uno y varios grados de libertad, espectros de diseño y de respuesta, y principalmente el análisis modal aplicado a edificios. La manera en que se presenta esta teoría permite al lector la comprensión de los fundamentos de ingeniería sísmica aplicados en los análisis, y permite también observar la deducción de algunas fórmulas matemáticas complejas utilizadas en la actualidad por los programas de computación, los cuales vienen a ser una herramienta de suma utilidad para resolver procedimientos matemáticos extensos, necesarios para la correcta aplicación de la teoría dinámica desarrollada hasta ahora. Todo lo anterior, prepara al lector a la comprensión de lo que en el quinto capítulo se define como el diseño del edificio propiamente dicho. Una vez comprendido el comportamiento de los distintos tipos de esfuerzos existentes en una estructura, es posible definir la geometría de la misma, asignando perfiles y descripciones a cada elemento, teniendo previamente el conocimiento de la manera en que se van a comportar al ser considerados como un componente de un sistema global, como los marcos a los que pertenecen. Esta concepción preliminar debe ser proporcionada por el ingeniero estructural y ningún programa de computación es capaz de lograrlo, confirmando nuevamente que la utilización de un programa de análisis es solamente una herramienta utilizada en el proceso de diseño, debido a las numerosas iteraciones que, como se verá en el desarrollo del capítulo mencionado, son necesarias para la definición final del diseño de cada elemento. Debido a que uno de los objetivos del presente trabajo es mostrar el análisis sísmico de una edificación aplicando el método de Combinación Cuadrática Completa (denominado CQC por sus iniciales en inglés "Complete Quadratic Combination"), se presenta en la parte de análisis sísmico aplicado, un procedimiento detallado para la superposición modal de cortantes basales generados por los diferentes modos de vibración de la estructura, aplicando este método. De manera complementaria, se aplican también los métodos de Raíz Cuadrada de Suma de Cuadrados (denominado SRSS por sus iniciales en inglés "Square Root of the Sum of their Squares") y el método de Semisuma, el cual es el método recomendado por la Asociación Guatemalteca de Ingeniería Estructural y Sísmica, AGIES. Además del análisis sísmico, se presentan gráficamente los modos de vibración, en los cuales el lector puede observar la estructura deformada para cada modo, y apreciar los efectos de las deformaciones laterales en ambos sentidos de los ejes globales de la estructura, así como el efecto de los giros rotacionales que deforman la estructura torsionalmente. Para obtener la definición final del diseño del edificio, es necesario realizar una serie de revisiones y cumplir determinadas especificaciones dadas por los códigos de diseño utilizados para este fin. Se verá que no sólo las especificaciones de esfuerzos aplicados o capacidad de los elementos a resistir cargas son las que rigen el diseño, pues de igual importancia son los análisis de deformaciones laterales totales y relativas entre pisos, la definición de valores de cargas sísmicas y las capacidades en el estado plástico de los elementos analizados en los nudos que modelan las intersecciones entre as vigas y las columnas. De la misma forma se muestra el diseño de las conexiones y se presentan gráficos ilustrativos de las mismas. Finalmente, se concluye comparando los resultados obtenidos en la combinación de cortantes basales obtenidos por los diferentes métodos y recomendando la aplicación del método LRFD para el diseño de estructuras de acero, debido a su adecuada respuesta ante las cargas sísmicas que los códigos estipulan para estructuras de edificios, cuyo proceso de diseño se presenta detalladamente en el presente trabajo.