F.3.7 — Pórticos resistentes a momentos compuestos (PRMC)
Pórticos resistentes a momento con columnas compuestas o de concreto reforzado y vigas de acero o compuestas: requisitos DMI, DMO, DES y parcialmente restringidos, cortante Emh, relación ΣM*pcc / ΣM*p,esp > 1 y profundidad del eje neutro YPNA.
Este numeral proporciona las bases de diseño y los requisitos para el análisis, el sistema, los miembros y las conexiones para pórticos resistentes a momentos compuestos DMI, DMO, DES y parcialmente restringidos (PR)
Se incluyen las siguientes secciones:
- F.3.7.1 — Pórticos resistentes a momentos compuestos con capacidad de energía mínima (PRMC-DMI)
- F.3.7.2 — Pórticos resistentes a momentos compuestos con capacidad de energía moderada (PRMC-DMO)
- F.3.7.3 — Pórticos resistentes a momentos compuestos con capacidad de energía especial (PRMC-DES)
- F.3.7.4 — Pórticos resistentes a momentos compuestos parcialmente restringidos (PRMC-PR)
F.3.7.1 — Pórticos resistentes a momentos compuestos con capacidad de energía mínima (PRMC-DMI)
F.3.7.1.1 — Alcance
Los sistemas PRMC-DMI deben diseñarse de acuerdo con esta sección. Esta sección es aplicable a pórticos resistentes a momentos con conexiones totalmente restringida (TR) que consten de columnas compuestas o de concreto reforzado y vigas bien sean de acero, embebidas en concreto, o compuestas.
F.3.7.1.2 — Bases de diseño
Se espera que los PRMC-DMI diseñados de acuerdo con estas especificaciones suministren una capacidad de deformación inelástica mínima en sus miembros y conexiones.
F.3.7.1.3 — Análisis
No se especifican requisitos especiales para el análisis.
F.3.7.1.4 — Requisitos del sistema
No se especifican requisitos especiales para el sistema.
F.3.7.1.5 — Miembros
No se especifican requisitos adicionales a los del Capítulo F.2 para los miembros de acero o compuestos. Las columnas de concreto reforzado deben cumplir los requisitos del Título C, excluyendo el numeral C.21.
F.3.7.1.6 — Conexiones
Las conexiones deben ser totalmente restringidas (TR). Las conexiones deben diseñarse para las combinaciones de cargas aplicables descritas en F.3.2.2 y F.3.2.3. Las resistencias de diseño de las conexiones viga-columna deben determinarse de acuerdo con F.2 y F.3.4.2.7.
F.3.7.2 — Pórticos resistentes a momentos compuestos con capacidad de energía moderada (PRMC-DMO)
F.3.7.2.1 — Alcance
Los sistemas PRMC-DMO deben diseñarse de acuerdo con esta sección. Esta sección es aplicable a pórticos resistentes a momentos con conexiones totalmente restringida (TR) que consten de columnas compuestas o de concreto reforzado y vigas bien sean de acero estructural, embebidas en concreto, o compuestas.
F.3.7.2.2 — Bases de diseño
Se espera que los PRMC-DMO diseñados de acuerdo con estas especificaciones suministren una capacidad de deformación inelástica limitada, a través de fluencia a flexión de las vigas y columnas y fluencia a cortante en las zonas de panel de las columnas. El diseño de las conexiones viga-columna, incluyendo la zona de panel, platinas de continuidad y diafragmas debe basarse en ensayos de conexiones que garanticen el desempeño requerido en el numeral F.3.7.2.6.2, y demostrar su conformidad con el numeral F.3.7.2.6.3.
F.3.7.2.3 — Análisis
No se especifican requisitos especiales para el análisis.
F.3.7.2.4 — Requisitos del sistema
F.3.7.2.4.1 — Arriostramiento para estabilidad de vigas
Las vigas deben arriostrarse para satisfacer los requisitos de miembros de ductilidad moderada del numeral F.3.4.1.2.1.
Adicionalmente, a menos que se indique de otra forma mediante ensayos, los arriostramientos de las vigas se deben ubicar cerca de las fuerzas concentradas, en los cambios de la sección transversal y en otras ubicaciones donde los análisis indiquen que se puede formar una rótula plástica durante la deformación inelástica del PRMC-DMO. La resistencia requerida del arriostramiento lateral adyacente a las rótulas plásticas debe ser como se especifica en el numeral F.3.4.1.2.3.
F.3.7.2.5 — Miembros
F.3.7.2.5.1 — Requisitos básicos
Los miembros para vigas y columnas deben satisfacer los requisitos del numeral F.3.4.1.1 para miembros con ductilidad moderada.
F.3.7.2.5.2 — Aletas de vigas
No se permiten cambios abruptos en la aleta de la viga en las zonas de rótulas plásticas. Tampoco se permiten perforaciones en la aleta o recortes en el ancho de la aleta a menos que los ensayos de calificación demuestren que la configuración resultante puede desarrollar rótulas plásticas estables.
F.3.7.2.5.3 — Zonas protegidas
La región que en cada extremo de la viga esté sujeta a deformaciones inelásticas es una zona protegida, y debe satisfacer los requisitos del numeral F.3.4.1.3.
Las zonas de rótulas plásticas en los extremos de vigas en PRMC-DMO deben tratarse como zonas protegidas. En general, para conexiones sin reforzar, la zona protegida se ubica desde la cara de la columna y hasta una distancia igual a la mitad del peralte de la viga después de la rótula plástica.
F.3.7.2.6 — Conexiones
F.3.7.2.6.1 — Soldaduras de demanda crítica
No se requieren soldaduras de demanda crítica.
F.3.7.2.6.2 — Conexiones viga-columna
Las conexiones viga-columna del SRS deben satisfacer los siguientes requisitos:
- (1) La conexión debe ser capaz de acomodar un ángulo de deriva de piso de 0.02 radianes como mínimo.
- (2) La resistencia medida a flexión de la conexión, determinada en la cara de la columna, debe ser por lo menos 0.8Mp de la viga conectada, para un ángulo de deriva de piso de 0.02 radianes, donde Mp se define como la resistencia nominal a flexión de las vigas de acero, las vigas embebidas o compuestas y debe satisfacer los requisitos de F.2.9.
F.3.7.2.6.3 — Validación de la conexión
La conexión viga-columna del SRS debe satisfacer los requisitos de la sección F.3.7.2.6.2, mediante ensayos de la conexión o cálculos justificados por modelos mecánicos y criterios de diseño para estados límites de sus componentes de acuerdo con estas especificaciones.
F.3.7.2.6.4 — Resistencia a cortante requerida
La resistencia requerida a cortante Vu de la conexión debe basarse en las combinaciones de carga del Título B incluyendo la carga sísmica amplificada, en la que el efecto de las fuerzas horizontales, incluyendo la sobre resistencia, se debe tomar como:
| Emh = 2 (1.1 Ry Mp, esp) / Lh | (F.3.7.2-1) |
donde Mp, esp es la resistencia a la flexión plástica esperada de las vigas de acero, las embebidas o compuestas. Para vigas embebidas o compuestas, Mp, esp debe calcularse usando la distribución plástica de esfuerzos o el método de compatibilidad de deformaciones. Deben utilizarse factores Ry apropiados para los diferentes elementos de la sección transversal estableciendo el equilibrio de fuerzas en la sección y calculando la resistencia a flexión. Lh es la distancia entre rótulas plásticas en la viga, mm. Para vigas de acero, Mp, esp en la ecuación F.3.7.2-1 puede tomarse como RyMp de la viga.
F.3.7.2.6.5 — Placas de continuidad y de diafragma
Se pueden usar placas para diafragmas de conexión para columnas compuestas rellenas tanto al interior como al exterior de la columna.
Cuando se utilicen placas de diafragma, el espesor de estas debe ser al menos igual del espesor de la aleta de la viga.
Las placas de diafragma deben soldarse alrededor de todo el perímetro de la columna utilizando soldaduras de penetración completa o soldaduras de filete por ambos lados. La resistencia requerida de estas uniones no debe ser menor que la resistencia de diseño del área de contacto de la placa con los lados de la columna.
Los diafragmas internos deberán tener aberturas circulares suficientes para la colocación del concreto.
F.3.7.2.6.6 — Empalmes de columna
Adicionalmente a los requisitos de la sección F.3.4.2.5, los empalmes de columna deben cumplir con los requisitos de esta sección. Cuando se utilicen soldaduras acanaladas para hacer el empalme, estas deben ser de penetración completa. Cuando los empalmes de columna no se realicen con soldaduras acanaladas, deben tener una resistencia requerida a la flexión que sea por lo menos igual a la resistencia nominal a la flexión, Mpcc, de la columna compuesta menor. La resistencia a cortante requerida de los empalmes del alma de la columna deben ser por lo menos igual a ΣMpcc / H, donde ΣMpcc es la suma de la resistencias nominales a la flexión de las columnas compuestas arriba y abajo del empalme. Para columnas compuestas la resistencia nominal a la flexión debe satisfacer los requisitos de F.2.9 considerando la resistencia axial requerida, Puc.
F.3.7.3 — Pórticos resistentes a momentos compuestos con capacidad de energía especial (PRMC-DES)
F.3.7.3.1 — Alcance
Los sistemas PRMC-DES deben diseñarse de acuerdo con esta sección. Esta sección es aplicable a pórticos resistentes a momentos con conexiones totalmente restringida (TR) que consten de columnas compuestas o de concreto reforzado y vigas bien sean de acero embebidas en concreto, o compuestas.
F.3.7.3.2 — Bases de diseño
Se espera que los PRMC-DES diseñados de acuerdo con estas especificaciones suministren una capacidad de deformación inelástica significativa a través de fluencia por flexión de las vigas y fluencia limitada a cortante en las zonas de panel de las columnas. Excepto cuando se permita otra cosa en esta sección, las columnas deben diseñarse generalmente para ser más resistentes que las vigas totalmente plastificadas y con endurecimiento por deformación. Se permite la plastificación por flexión en las columnas en su base. El diseño de las conexiones viga-columna, incluyendo la zona de panel, las platinas de continuidad y los diafragmas, debe basarse en ensayos de conexiones que garanticen el desempeño requerido en el numeral F.3.7.3.6.2, y demostrar su conformidad con el numeral F.3.7.3.6.3.
F.3.7.3.3 — Análisis
No se especifican requisitos especiales para el análisis.
F.3.7.3.4 — Requisitos del sistema
F.3.7.3.4.1 — Relaciones de momento
Deben satisfacerse las siguientes relaciones en las conexiones viga-columna:
| ΣM*pcc / ΣM*p, esp > 1 | (F.3.7.3-1) |
donde:
| Símbolo | Significado |
|---|---|
| ΣM*pcc | = suma de las proyecciones al eje de las vigas, de la resistencia nominal a flexión de las columnas (incluidas las ménsulas si estas se utilizan) arriba y abajo de la unión con una reducción debida a la fuerza axial en la columna. Para columnas compuestas, la resistencia nominal a flexión, Mpcc, debe satisfacer los requisitos de F.2.9 considerando la resistencia axial requerida Puc. Para columnas de concreto reforzado, la resistencia nominal a flexión, Mpcc, debe calcularse con base en las provisiones del Título C considerando la resistencia axial requerida Puc. Cuando los ejes de vigas opuestas en la misma unión no coincidan debe usarse la línea media entre los dos ejes. |
| ΣM*p,esp | = suma de los momentos en las vigas de acero o embebidas en concreto en la intersección de los ejes de la viga y la columna. Se determina como la suma de las resistencias esperadas a flexión de las vigas en la rótula plástica, referidas al eje de la columna. Se puede tomar ΣM*p,esp = Σ(1.1Mp,esp + Muv), donde Mp,esp se calcula de acuerdo con la sección F.3.7.2.6.4 |
| Muv | = momento debido a la amplificación por el cortante desde la posición de la rótula plástica hasta el eje de la columna |
Excepción — Deben aplicarse las excepciones de la sección F.3.4.3.4.1 excepto que el límite de la fuerza en el numeral F.3.5.3.4.1 debe ser Puc < 0.1Pc.
F.3.7.3.4.2 — Arriostramiento para la estabilidad de las vigas
Las vigas deben arriostrarse para satisfacer los requisitos de miembros de ductilidad alta del numeral F.3.4.1.2.2.
Adicionalmente, a menos que se indique de otra forma mediante ensayos, los arriostramientos de las vigas deben colocarse cerca de las fuerzas concentradas, cambios en la sección transversal y otras ubicaciones donde los análisis indiquen que se puede formar una rótula plástica durante la deformación inelástica del PRMC-DES.
F.3.7.3.4.3 — Arriostramiento para la estabilidad de las conexiones viga-columna
Las columnas compuestas con conexiones no arriostradas deben satisfacer los requisitos de la sección F.3.5.3.4.3(2).
F.3.7.3.5 — Miembros
F.3.7.3.5.1 — Requisitos básicos
Los miembros de acero y compuestos deben satisfacer los requisitos del numeral F.3.4.1.1 para miembros con ductilidad alta.
Excepción — Las vigas embebidas en concreto reforzado deben satisfacer los requisitos del numeral F.3.4.1.1 para miembros con ductilidad moderada si el recubrimiento de concreto es de 50 mm o mayor y sea suministrado confinamiento por medio de estribos en regiones donde se espera la formación de rótulas plásticas bajo las deformaciones por el sismo. Los estribos deben satisfacer los requisitos de C.21.5.3.
Las vigas compuestas embebidas en concreto que sean parte del PRMC-DES deben satisfacer también el que la distancia desde la fibra de concreto de mayor compresión al eje neutro plástico no sea mayor que:
| YPNA = (Ycon + d) / (1 + (1 700 Fy / E)) | (F.3.7.3-2) |
donde:
| Símbolo | Significado |
|---|---|
| Fy | = esfuerzo de fluencia mínimo especificado de la viga de acero, MPa. |
| E | = módulo elástico de la viga de acero, MPa. |
| Ycon | = distancia desde la parten superior de la viga de acero y la parte superior del concreto, mm. |
| d | = peralte total de la viga, mm. |
F.3.7.3.5.2 — Aletas de vigas
No se permiten cambios abruptos en la aleta de la viga en las zonas de rótulas plásticas. Tampoco se permiten perforaciones en la aleta o recortes en el ancho de la aleta a menos que los ensayos de calificación demuestren que la configuración resultante puede desarrollar rótulas plásticas estables.
F.3.7.3.5.3 — Zonas protegidas
La región que en cada extremo de la viga esté sujeta a deformaciones inelásticas es una zona protegida, y debe satisfacer los requisitos del numeral F.3.4.1.3.
Las zonas de rótulas plásticas en los extremos de vigas en PRMC-DES deben tratarse como zonas protegidas. En general, la zona protegida se ubica desde la cara de la columna compuesta y hasta una distancia igual a la mitad del peralte de la viga después de la rótula plástica.
F.3.7.3.6 — Conexiones
Las conexiones deben ser totalmente restringidas (TR) y satisfacer los requisitos de la sección F.3.4.2 con todos sus numerales, además de esta sección.
F.3.7.3.6.1 — Soldaduras de demanda crítica
Las siguientes soldaduras deben considerarse de demanda crítica y satisfacer los requisitos del numeral F.3.1.3.4.2:
- (1) Las soldaduras acanaladas en empalmes de columna. Excepto cuando pueda demostrarse que puede impedirse la formación de la rótula en la columna o cerca de la placa base mediante restricciones, y en ausencia de tensiones netas bajo las combinaciones de carga que incluyan la carga sísmica amplificada.
- (2) Las soldaduras de la conexión columna-placa de base,
- (3) Las soldaduras acanaladas de penetración completa de las aletas de vigas, las placas de diafragma que sirven como continuación de aletas de vigas, las placas de cortante dentro del peralte de la viga que sirven de transición de la viga a un perfil embebido, y las almas de vigas a columnas.
F.3.7.3.6.2 — Conexiones viga-columna
Las conexiones viga-columna del SRS deben satisfacer los siguientes requisitos:
- (1) La conexión debe ser capaz de acomodar un ángulo de deriva de piso de 0.04 radianes como mínimo.
- (2) La resistencia medida a flexión de la conexión, determinada en la cara de la columna, debe ser por lo menos 0.8Mp de la viga conectada, para un ángulo de deriva de piso de 0.04 radianes, donde Mp se calcula de acuerdo con el numeral F.3.7.2.6.2.
F.3.7.3.6.3 — Validación de la conexión
La conexión viga-columna del SRS debe satisfacer los requisitos de la sección F.3.7.3.6.2 por medio de lo siguiente:
- (1) Cuando las vigas están interrumpidas en la conexión, la conexión debe calificarse usando resultados de ensayos cíclicos de calificación de acuerdo con F.3.11.2. Deben realizarse al menos dos ensayos de la conexión y pueden basarse en una de las consideraciones siguientes:
- (a) Ensayos reportados en artículos de investigación o ensayos documentados realizados para otros proyectos que representen las condiciones del proyecto, con los límites especificados en el numeral F.3.11.2.
- (b) Ensayos enfocados específicamente para el proyecto que sean representativos de los tamaños de los miembros, resistencia del material, configuración de conexiones, procesos constructivos de la conexión, con los límites especificados en F.3.11.2.
- (2) Cuando las vigas no están interrumpidas o sean continuas a través de la columna compuesta o de concreto reforzado, y que no se usen uniones soldadas a las aletas de las vigas, ni la conexión sea susceptible de fractura prematura, deben cumplirse los requisitos de desempeño del numeral F.3.7.3.6.2(a).
Se permiten conexiones que puedan acomodar el ángulo de deriva de piso requerido en los elementos de conexión y proporcionen la resistencia medida a flexión y a cortante que se especifican en el numeral F.3.5.3.6.4. Adicionalmente a lo anterior, el diseño debe demostrar que cualquier deriva adicional debida a la deformación de la conexión puede ser soportada por la estructura. El diseño debe incluir un análisis que contemple los efectos de estabilidad de toda la estructura, incluyendo los efectos de segundo orden.
F.3.7.3.6.4 — Resistencia a cortante requerida
La resistencia requerida a cortante Vu de la conexión debe basarse en las combinaciones de carga del Título B que incluya la carga sísmica amplificada, en la que el efecto de las fuerzas horizontales, incluyendo la sobre resistencia deben ser calculadas como:
| Emh = 2 (1.1 Ry Mp,esp) / Lh | (F.3.7.3-3) |
donde Mp,esp es la resistencia a la flexión esperada de las vigas de acero, embebidas o compuestas. Para vigas embebidas o compuestas, Mp,esp debe calcularse de acuerdo con la sección F.3.7.2.6.4 y Lh es la distancia entre rotulas plásticas en la viga, mm.
F.3.7.3.6.5 — Placas de continuidad y de diafragma
Las placas de continuidad o diafragma utilizadas para conexiones a momento con columnas rellenas deben satisfacer los requisitos de la sección F.3.7.2.6.5.
F.3.7.3.6.6 — Empalmes de columna
Los empalmes de columna deben satisfacer los requisitos de la sección F.3.7.2.6.6.
F.3.7.4 — Pórticos resistentes a momentos parcialmente restringidos (PRMC-PR)
F.3.7.4.1 — Alcance
Los sistemas PRMC-PR deben diseñarse de acuerdo con esta sección. Esta sección es aplicable a pórticos resistentes a momentos con conexiones parcialmente restringidas (PR) que consten de columnas de acero y vigas compuestas que cumplan los requisitos de F.2.2.3.5.2.2.
F.3.7.4.2 — Bases de diseño
Se espera que los PRMC-PR diseñados de acuerdo con estas especificaciones suministren una capacidad de deformación inelástica significativa a través de fluencia en los componentes dúctiles de las conexiones a momento viga-columna PR compuestas. Se permite una fluencia limitada en otras partes, tales como fluencia a flexión en la base de las columnas. El diseño de las conexiones de vigas y columnas debe basarse en ensayos de conexiones que garanticen el desempeño requerido en el numeral F.3.7.4.6.3, y demostrar su conformidad con el numeral F.3.7.4.6.4.
F.3.7.4.3 — Análisis
Debe considerarse la flexibilidad de la conexión y la acción de viga compuesta en la determinación de las características dinámicas, resistencia y derivas de PRMC-PR.
Para propósito de los análisis, la rigidez de las vigas debe determinarse con el momento de inercia efectivo de la sección compuesta.
F.3.7.4.4 — Requisitos del sistema
No se especifican requisitos especiales.
F.3.7.4.5 — Miembros
F.3.7.4.5.1 — Columnas
Las columnas de acero deben satisfacer los requisitos del numeral F.3.4.1.1 para miembros con ductilidad alta.
F.3.7.4.5.2 — Vigas
Las vigas compuestas no deben ser embebidas y ser totalmente compuestas, y deben cumplir con los requisitos del numeral F.3.4.1.1 para miembros con ductilidad alta. Debe existir una placa de concreto maciza hasta una distancia de 300 mm desde la cara de la columna en la dirección de transferencia de momento.
F.3.7.4.6 — Conexiones
Las conexiones deben ser PR y deben satisfacer todos los requisitos de F.3.4.2 y los de este numeral.
F.3.7.4.6.1 — Soldaduras de demanda crítica
Las siguientes soldaduras deben considerarse de demanda crítica y satisfacer los requisitos del numeral F.3.1.3.4.2:
- (1) Las soldaduras acanaladas en empalmes de columna, excepto cuando pueda demostrarse que puede impedirse la formación de la rótula en la columna o cerca de la placa base mediante restricciones, y en ausencia de tensiones netas bajo las combinaciones de carga que incluyen la carga sísmica amplificada.
- (2) Las soldaduras de la conexión columna-placa de base,
F.3.7.4.6.2 — Resistencia requerida
La resistencia requerida de las conexiones viga-columna a momento PR debe determinarse considerando los efectos de la flexibilidad de la conexión y los momentos de segundo orden. Adicionalmente, las conexiones compuestas deben tener una resistencia nominal por lo menos igual al 50% de Mp, donde Mp es la resistencia plástica nominal a flexión de la viga de acero conectada sin considerar la acción compuesta.
F.3.7.4.6.3 — Conexiones viga-columna
Las conexiones viga-columna del SRS deben satisfacer los siguientes requisitos:
- (1) La conexión debe ser capaz de acomodar un ángulo de deriva de piso de 0.02 radianes como mínimo.
- (2) La resistencia medida a la flexión de la conexión, determinada en la cara de la columna, debe incrementarse monotónicamente hasta un valor de al menos 0.5Mp de la viga conectada, para un ángulo de deriva de piso de 0.02 radianes, donde Mp se define como la resistencia nominal a flexión de la viga compuesta y debe satisfacer los requisitos de F.2.9.
F.3.7.4.6.4 — Validación de la conexión
La conexión viga-columna del SRS debe satisfacer los requisitos de la sección F.3.7.4.6.3 por medio de calificación, usando los resultados de ensayos cíclicos de calificación de acuerdo con F.3.11.2. Deben realizarse al menos dos ensayos de la conexión y pueden basarse en una de las consideraciones siguientes:
- (1) Ensayos reportados en artículos de investigación o ensayos documentados realizados para otros proyectos que representen las condiciones del proyecto, con los límites especificados en el numeral F.3.11.2.
- (2) Ensayos enfocados específicamente para el proyecto que sean representativos de los tamaños de los miembros, resistencia del material, configuración de conexiones, procesos constructivos de la conexión, con los límites especificados en F.3.11.2.
F.3.7.4.6.5 — Resistencia de la conexión
La resistencia nominal de la conexión, Mn,PR debe tomarse como la resistencia a la flexión para 0.02 radianes durante el primer ciclo en el cual se excede esta rotación.
F.3.7.4.6.6 — Empalmes de columna
Los empalmes de columnas compuestas deben satisfacer los requisitos de la sección F.3.7.2.6.6.