Evaluación del coeficiente de disipación de energía, R, para algunos tipos de estructuras de acero

Evaluating response modification factor (R) for some types of steel structure

En el presente artículo se cuestiona la validez del uso del coeficiente de disipación de energía tabulado en las Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismorresistente, NSR-98, en la evaluación de las solicitaciones generadas por la acción del sismo de diseño en las estructuras de acero y las inconsistencias que se presentan al dimensionar la estructura para que cumpla derivas del 1%. Con tal fin se diseñan 45 pórticos del sistema de resistencia sísmica de cinco edificios: 15 pórticos resistentes a momento (PRM), 15 pórticos arriostrados concéntricamente (PAC) y 15 pórticos arriostrados excéntricamente (PAE). El diseño se realiza de acuerdo con los requisitos de las NSR-98 en cuanto a solicitaciones (evaluación de cargas y combinaciones) y rigidez (1% de deriva) y a los requisitos de las provisiones sísmicas de AISC-2005 en cuanto a resistencia. Se evalúa el coeficiente de disipación de energía de los 45 pórticos para diferentes niveles de desempeño, por medio de plastificación progresiva modal, encontrándose que tal coeficiente no es constante para ninguno de los tres sistemas estructurales estudiados (PRM, PAC y PAE), tal como lo sugieren las NSR-98, y además los valores del coeficiente de disipación de energía hallados en la presente investigación son mucho menores a los tabulados en dichas normas, que rigen la práctica común del diseño estructural, provocando graves errores en la evaluación de las solicitaciones de diseño, tanto de la estructura como de los elementos de soporte (placas de base, fundaciones, pantallas) y estructuras adosadas a los pórticos del sistema de resistencia sísmico.

Introducción

Diseñar las estructuras para que respondan en el rango elástico bajo la acción del sismo de diseño, resulta ser muy costoso, ineficiente, y hasta inconveniente; por eso los diferentes códigos de diseño, incluyendo las NSR-98 (Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, 1998) permiten diseñar las edificaciones para una carga sísmica menor a la que actuaría sobre el edificio si la respuesta fuese totalmente elástica, cuando se presenta el sismo de diseño, teniendo en cuenta que los sismos son los que causan mayores efectos adversos a la estructura pero que no son eventos determinísticos dentro de la vida útil de la misma; así mismo, si la estructura resiste, en un rango de respuesta inelástica, unas solicitaciones menores que las causadas por el sismo de diseño, puede deformarse inelásticamente, sin que ello implique un colapso.

Los códigos introducen entonces el coeficiente de disipación de energía, R, de tal manera que al dividir la carga sísmica elástica (F) por él, se obtiene la fuerza sísmica reducida de diseño (E), que se usa en todas las combinaciones para diseño y que permite en principio diseñar estructuras más económicas. Este coeficiente depende de la ductilidad del sistema estructural y de la demanda sísmica a la que se espera que estará sometida la estructura.