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Marcos de momento de acero: Qué considerar al crear espacios abiertos

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Marcos de momento de acero: Qué considerar al crear espacios abiertos.

 Marcos de momento de acero:  Qué considerar al crear espacios abiertos.  Figura 1: un estudio de costos reciente resultó en un aumento en el precio de instalación de aproximadamente 250 por ciento para el marco del momento en comparación con un marco reforzado.  La estabilidad de un edificio es un elemento de diseño crítico que los ingenieros estructurales deben entender. Las estructuras que se remontan a miles de años por lo general se han basado en uno o una combinación de tres tipos de sistemas para la estabilidad: muro de cortante, marco reforzado y / o marco de momento. Este artículo proporciona una introducción al sistema de marcos de momento de "espacios abiertos" en estructuras de acero.  Marcos de momentos  Un marco de momentos consiste en un sistema de columnas y vigas que se conectan entre sí con conexiones de momento restringidas y/o totales.  Con una conexión de momento, una columna se une a una viga sin liberaciones en la articulación cuando se analiza estructuralmente.  Las cargas se resisten en los sistemas de marco de momentos mediante flexión en las vigas y columnas que inducen cortantes y momentos en las vigas, columnas y sus uniones relacionadas con el momento. Los tres tipos de cuadros de momento son el Marco de Momento Ordinario (OMF), el Marco de Momento Intermedio (IMF) y el Marco de Momento Especial (SMF) definidos de la siguiente manera:  Se espera que los OMF soporten deformaciones inelásticas limitadas en sus miembros y conexiones como resultado de las fuerzas laterales. Los OMF se utilizan normalmente en regiones sísmicas bajas.  Se espera que los FMI soporten deformaciones inelásticas limitadas en sus miembros y conexiones como resultado de fuerzas laterales y requieran el uso de conexiones precalificadas por el Instituto Americano de Construcción de Acero (AISC) o conexiones que hayan sido sometidas y pasen una prueba cíclica calificada. Los FMI deben mantener un ángulo de deriva entre los pisos de hasta 0,02 radianes, y se suelen utilizar en regiones sísmicas medias.  Se espera que los SMF soporten una deformación inelástica significativa en sus miembros y conexiones como resultado de las fuerzas laterales y requieren el uso de conexiones precalificadas por AISC o conexiones que hayan sido sometidas y pasen una prueba cíclica calificada. Las SMF deben mantener un ángulo de deriva entre pisos de hasta 0,04 radianes. Las SMF se utilizan normalmente en las regiones sísmicas altas.  Teniendo en cuenta los pros y los contras  Los marcos de momento son generalmente más caros que los sistemas de muro de cortante y de contravientos reforzados, especialmente cuando están diseñados a una rigidez similar para la capacidad de servicio. El costo es la razón principal por la que los ingenieros estructurales tienden a usar los marcos de momentos como último recurso.  Los muros de cortante y los contravientos tienden a crear barreras dentro de los planos estructurales del piso, que a menudo son aceptables para espacios altamente divididos. Sin embargo, los arquitectos y propietarios quieren planos de planta de espacio abierto con obstrucciones mínimas; Las conexiones de viga a columna en los marcos de momentos permiten espacios abiertos sin miembros diagonales y / o paredes, lo que hace que valga la pena el costo más alto.  Comparación de costos:  Algunos factores clave que conducen a la prima de costo para los marcos de momento incluyen los siguientes:  Los tamaños de columna y viga de marco de momento pueden ser significativamente más pesados por metro, que en marcos reforzados debido a sus medios de transferencia de fuerzas y resistencia a la deriva lateral. Las secciones más pesadas conducen a mayores tonelajes generales (costos de material), y posiblemente a la necesidad de equipos de montaje más grandes.  Es posible que se requieran placas de refuerzo (doublers plate) en las columnas en el momento de las conexiones para fortalecer la red de la columna localmente. La parte costosa de las placas se debe principalmente al tiempo de fabricación requerido para unirlas a la columna.  Los marcos de momentos pueden requerir más soldadura de campo que los marcos reforzados, lo que lleva a costos de montaje más altos.  A menudo se requiere un mayor número de marcos de momento sobre marcos reforzados para proporcionar suficiente rigidez en el edificio para adaptarse a los requisitos de deriva para la capacidad de servicio.  Hay un número limitado de conexiones precalificadas permitidas en regiones altamente sísmicas, que pueden ser más costosas que las conexiones de marco reforzado o de marco de momento sísmico bajo.  Estudio de comparación de costos:  La Figura 1 muestra un marco de momento típico (izq.) y un marco contraventeado de acero (der), ambos bidimensionales de 15 pies de ancho por 15 pies de altura. Los tamaños estructurales  mostrados se diseñaron para la resistencia por (load and resistance factor design) LRFD AISC para una carga lateral de ± 10 kip (usando un factor de 1.3 para simular el viento) y para la capacidad de servicio para soportar L / 400 (que en este ejemplo = 15 pies / 400 = 0.45 pulgadas) Deriva lateral. Las columnas en este ejemplo también se ampliaron según lo requerido para eliminar la necesidad de placas dobladoras, y se fijaron en sus bases. Según los estimados de W&W Steel LLC en Oklahoma City, el precio instalado (material, envío, fabricación y montaje) para el marco del momento de la muestra (izq) sería de aproximadamente $ 8,141, y el marco contraventeado (der) sería de aproximadamente $ 3,185, lo que resultaría en un aumento del costo de aproximadamente 250 por ciento.  El rango de la industria para el aumento de costos entre armazones y momentos puede variar, pero generalmente se encuentra entre 200 por ciento y 400 por ciento.  Conclusión  En general, se requiere que los ingenieros estructurales identifiquen el sistema de estabilidad estructural de un diseño en las etapas iniciales del proyecto. Comprender la visión del propietario y del arquitecto para el proyecto y sus necesidades programáticas es fundamental para establecer qué sistema de estabilidad estructural se utilizará y dónde se colocarán en última instancia. Los marcos de momento son la opción lógica cuando se desean espacios grandes y abiertos, y existe sitio adecuado para agregar muros de corte o contravientos.  Si se seleccionan los marcos de momentos, los costos se pueden minimizar prestando atención a las siguientes reglas generales:  1. Evite la necesidad de placas dobladoras aumentando el tamaño de las columnas.  2. Proporcione soldaduras de penetración parcial en lugar de soldaduras de penetración completas en las conexiones de momento de viga a columna siempre que sea posible (se aplica solo a proyectos sin sísmica baja).  3. Considere las conexiones de base de columna fija, para reducir la deriva del marco de momentos. Proporcionar más marcos rígidos en el primer nivel que las conexiones de base de columnas fijas, lo que reduce las desviaciones de la deriva.  4. El aumento del tonelaje de material para disminuir el trabajo de fabricación y / o erección típicamente generará un costo general más bajo para un marco de momento.  Ventajas y Desventajas de los Disipadores Sísmicos versus Contravientos.  Sin duda la inserción de disipadores de fuerzas sismicos en estructuras de concreto o acero es un avance revolucionario.  Pero en términos de costo y eficiencia, cuanta ventaja tienen respecto a marcos de momento o sistemas de contravientos restringidos al pandeo.  Pórticos no arriostrados:  Marco de Momento Ordinario. (OMF).  Marco de Momento Intermedio no arristrados (IMF).  Marco de Momento Especial (SMF).  Consideraciones de costos de conexiones.  Pórticos arriostrados Concéntricamente.  Pórticos Arriostrados Excéntricamente.  Contravientos restringidos al pandeo; Disipadores por fluencia. (Respuesta dúctil, deformable).  Pórticos con riostras de pandeo restringido.  Contravientos restringidos a la ductilidad.  Disipadores Activados por Desplazamiento. (fricción)  Disipadores Activados por Velocidad (Viscosos).  Costos aproximados a considerar. 

Figura 1: un estudio de costos reciente resultó en un aumento en el precio de instalación de aproximadamente 250 por ciento para el marco del momento en comparación con un marco reforzado.

La estabilidad de un edificio es un elemento de diseño crítico que los ingenieros estructurales deben entender. Las estructuras que se remontan a miles de años por lo general se han basado en uno o una combinación de tres tipos de sistemas para la estabilidad: muro de cortante, marco reforzado y / o marco de momento. Este artículo proporciona una introducción al sistema de marcos de momento de "espacios abiertos" en estructuras de acero.

 

Marcos de momentos

Un marco de momentos consiste en un sistema de columnas y vigas que se conectan entre sí con conexiones de momento restringidas y/o totales.

Con una conexión de momento, una columna se une a una viga sin liberaciones en la articulación cuando se analiza estructuralmente.

Las cargas se resisten en los sistemas de marco de momentos mediante flexión en las vigas y columnas que inducen cortantes y momentos en las vigas, columnas y sus uniones relacionadas con el momento. Los tres tipos de cuadros de momento son el Marco de Momento Ordinario (OMF), el Marco de Momento Intermedio (IMF) y el Marco de Momento Especial (SMF) definidos de la siguiente manera:

 Marcos de momentos

Se espera que los OMF soporten deformaciones inelásticas limitadas en sus miembros y conexiones como resultado de las fuerzas laterales. Los OMF se utilizan normalmente en regiones sísmicas bajas.

 

Se espera que los FMI soporten deformaciones inelásticas limitadas en sus miembros y conexiones como resultado de fuerzas laterales y requieran el uso de conexiones precalificadas por el Instituto Americano de Construcción de Acero (AISC) o conexiones que hayan sido sometidas y pasen una prueba cíclica calificada. Los FMI deben mantener un ángulo de deriva entre los pisos de hasta 0,02 radianes, y se suelen utilizar en regiones sísmicas medias.

 

Se espera que los SMF soporten una deformación inelástica significativa en sus miembros y conexiones como resultado de las fuerzas laterales y requieren el uso de conexiones precalificadas por AISC o conexiones que hayan sido sometidas y pasen una prueba cíclica calificada. Las SMF deben mantener un ángulo de deriva entre pisos de hasta 0,04 radianes. Las SMF se utilizan normalmente en las regiones sísmicas altas.

 

Teniendo en cuenta los pros y los contras

Los marcos de momento son generalmente más caros que los sistemas de muro de cortante y de contravientos reforzados, especialmente cuando están diseñados a una rigidez similar para la capacidad de servicio. El costo es la razón principal por la que los ingenieros estructurales tienden a usar los marcos de momentos como último recurso.

 Marcos de momentos

Los muros de cortante y los contravientos tienden a crear barreras dentro de los planos estructurales del piso, que a menudo son aceptables para espacios altamente divididos. Sin embargo, los arquitectos y propietarios quieren planos de planta de espacio abierto con obstrucciones mínimas; Las conexiones de viga a columna en los marcos de momentos permiten espacios abiertos sin miembros diagonales y / o paredes, lo que hace que valga la pena el costo más alto.

 

Comparación de costos:

Algunos factores clave que conducen a la prima de costo para los marcos de momento incluyen los siguientes:

 

Los tamaños de columna y viga de marco de momento pueden ser significativamente más pesados por metro, que en marcos reforzados debido a sus medios de transferencia de fuerzas y resistencia a la deriva lateral. Las secciones más pesadas conducen a mayores tonelajes generales (costos de material), y posiblemente a la necesidad de equipos de montaje más grandes.

 

Es posible que se requieran placas de refuerzo (doublers plate) en las columnas en el momento de las conexiones para fortalecer la red de la columna localmente. La parte costosa de las placas se debe principalmente al tiempo de fabricación requerido para unirlas a la columna.

Los marcos de momentos pueden requerir más soldadura de campo que los marcos reforzados, lo que lleva a costos de montaje más altos.

A menudo se requiere un mayor número de marcos de momento sobre marcos reforzados para proporcionar suficiente rigidez en el edificio para adaptarse a los requisitos de deriva para la capacidad de servicio.

Hay un número limitado de conexiones precalificadas permitidas en regiones altamente sísmicas, que pueden ser más costosas que las conexiones de marco reforzado o de marco de momento sísmico bajo.

 

 

Estudio de comparación de costos:

La Figura 1 muestra un marco de momento típico (izq.) y un marco contraventeado de acero (der), ambos bidimensionales de 15 pies de ancho por 15 pies de altura. Los tamaños estructurales

mostrados se diseñaron para la resistencia por (load and resistance factor design) LRFD AISC para una carga lateral de ± 10 kip (usando un factor de 1.3 para simular el viento) y para la capacidad de servicio para soportar L / 400 (que en este ejemplo = 15 pies / 400 = 0.45 pulgadas) Deriva lateral. Las columnas en este ejemplo también se ampliaron según lo requerido para eliminar la necesidad de placas dobladoras, y se fijaron en sus bases. Según los estimados de W&W Steel LLC en Oklahoma City, el precio instalado (material, envío, fabricación y montaje) para el marco del momento de la muestra (izq) sería de aproximadamente $ 8,141, y el marco contraventeado (der) sería de aproximadamente $ 3,185, lo que resultaría en un aumento del costo de aproximadamente 250 por ciento.

El rango de la industria para el aumento de costos entre armazones y momentos puede variar, pero generalmente se encuentra entre 200 por ciento y 400 por ciento.

 

 

 

Conclusión

En general, se requiere que los ingenieros estructurales identifiquen el sistema de estabilidad estructural de un diseño en las etapas iniciales del proyecto. Comprender la visión del propietario y del arquitecto para el proyecto y sus necesidades programáticas es fundamental para establecer qué sistema de estabilidad estructural se utilizará y dónde se colocarán en última instancia. Los marcos de momento son la opción lógica cuando se desean espacios grandes y abiertos, y existe sitio adecuado para agregar muros de corte o contravientos.

 

Si se seleccionan los marcos de momentos, los costos se pueden minimizar prestando atención a las siguientes reglas generales:

1. Evite la necesidad de placas dobladoras aumentando el tamaño de las columnas.

2. Proporcione soldaduras de penetración parcial en lugar de soldaduras de penetración completas en las conexiones de momento de viga a columna siempre que sea posible (se aplica solo a proyectos sin sísmica baja).

3. Considere las conexiones de base de columna fija, para reducir la deriva del marco de momentos. Proporcionar más marcos rígidos en el primer nivel que las conexiones de base de columnas fijas, lo que reduce las desviaciones de la deriva.

4. El aumento del tonelaje de material para disminuir el trabajo de fabricación y / o erección típicamente generará un costo general más bajo para un marco de momento.

 

 

Ventajas y Desventajas de los Disipadores Sísmicos versus Contravientos.

 

Sin duda la inserción de disipadores de fuerzas sismicos en estructuras de concreto o acero es un avance revolucionario.

Pero en términos de costo y eficiencia, cuanta ventaja tienen respecto a marcos de momento o sistemas de contravientos restringidos al pandeo.

 

Pórticos no arriostrados:

Marco de Momento Ordinario. (OMF).

Marco de Momento Intermedio no arristrados (IMF).

Marco de Momento Especial (SMF).

Consideraciones de costos de conexiones.

 

Pórticos arriostrados Concéntricamente.

Pórticos Arriostrados Excéntricamente.

Contravientos restringidos al pandeo; Disipadores por fluencia. (Respuesta dúctil, deformable).

Pórticos con riostras de pandeo restringido.

Contravientos restringidos a la ductilidad.

Disipadores Activados por Desplazamiento. (fricción)

Disipadores Activados por Velocidad (Viscosos).

Costos aproximados a considerar.


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