En el diseño sísmico de estructuras, se dice que los miembros estructurales deben poseer una buena ductilidad, ¿eso significa que su rigidez debe ser menor ya que un miembro más rígido no sufrirá una gran deformación inelástica?

Discutiré esto en relación con el acero estructural, ya que está bajo ingeniería civil e ingeniería estructural, pero los principios deberían ser los mismos para la mayoría de los otros materiales que exhiben mecanismos de falla plástica.

Es generalmente cierto que la rigidez extremadamente alta se asocia con baja ductilidad.

Muchos aceros de súper alta resistencia y alta rigidez exhiben modos de falla frágiles después de deformaciones inelásticas relativamente pequeñas.

Este es un gráfico bastante básico de la situación:


El acero de alta resistencia exhibe una resistencia súper alta antes de ceder, sin embargo, después de ceder casi inmediatamente se fractura. Las líneas media e inferior tienen menor resistencia, pero exhiben una deformación inelástica sustancial antes de la fractura. Hay varias definiciones diferentes utilizadas para la ductilidad. En este caso, prefiero usar la relación entre la deflexión inicial y la deflexión final en la fractura. Yo diría que el acero de baja resistencia tiene la mayor ductilidad. Otra medida de ductilidad, basada en la comparación del área debajo de los gráficos de las diversas líneas trazadas, sugeriría que el acero del medio tiene la ductilidad más alta.

Tenga en cuenta que la ductilidad se puede discutir a nivel de miembro individual y material, así como a nivel estructural global. Una estructura que exhibe baja ductilidad puede construirse utilizando aceros altamente dúctiles.

Como la mayoría de las cosas en ingeniería, la respuesta es ‘más o menos’.

Las situaciones sísmicas son inusuales porque revierten la relación normal de fuerza-desviación. Normalmente diseña el modelo estructural *, aplica una carga (ya sea gravedad o viento) y mide la desviación prevista (y las tensiones y tensiones asociadas)

Situaciones sísmicas, la Tierra hace la desviación por usted. De repente, el techo de su edificio está 100 mm más a la derecha que los cimientos. Es el fondo el que se movió, pero matemáticamente no es muy diferente a un gigante empujando la casa hasta que el techo se mueve 100 mm. El gigante se suelta, y el edificio intenta liberar toda la energía almacenada que se le puso. Se balancea hacia atrás como un gong vibrante, o se deshace de la energía al agrietarse, distorsionarse o hacer que los pedazos se deslicen entre sí. ¡A veces todos a la vez!

La clave aquí es que este gigante es del tamaño de una placa continental. No importa qué tan fuerte sea su edificio, ese desplazamiento ocurrirá. Independientemente de lo que diseñe, debe ser capaz de hacer frente a grandes desviaciones, ya sea flexionando elásticamente o sacrificando elementos para absorber la energía de la tensión.

Las pagodas son excelentes ejemplos

  • La columna central es un enorme tronco de árbol natural que puede balancearse sin sufrir daños. He visto la idea de que los árboles están naturalmente pretensados, por lo que un tronco intacto (solo la corteza eliminada) es increíblemente flexible por su resistencia.
  • Las juntas de madera son ligeramente flexibles para absorber energía al frotarse entre sí.
  • Los pisos alrededor de la columna central están diseñados para arrugarse y absorber aún más energía.

Todavía usamos tácticas similares para la ingeniería de terremotos hoy. Como siempre con las estructuras antiguas, recuerde que solo aquellas que fueron construidas realmente bien han sobrevivido hasta nuestros días. Lo mismo se dirá de nuestro trabajo en doscientos años.

* recuerde, fuera de las pruebas a gran escala, solo se trata de un modelo simplificado de lo que está sucediendo.

Una muy buena pregunta. Me gustaría agregar una visión profunda a esta pregunta en particular. Primero me gustaría mantener una suposición.

La capacidad de carga de estrés de todos los miembros que supongo es la misma. Es decir, estoy considerando, como por ejemplo, todos los miembros con un límite de rendimiento de, digamos, 50 ksi. La razón de ser Isaac ya ha definido todo sobre el estrés y me gustaría darle una idea de la rigidez del miembro.

¿Qué es la rigidez?
La rigidez es la rigidez de un objeto: la medida en que resiste las deformaciones a una fuerza aplicada. Podemos decir:

k = F / x donde x es la deformación del objeto.

Ahora, ¿qué quieres decir con ductilidad?
La ductilidad es la capacidad de un material para estirarse más allá del límite elástico. Tome el alambre delgado de acero o cobre en sus manos. Tire del cable con fuerza con la mano o átelo de un extremo a un gancho y jálelo con el cuerpo. Necesitas mucha fuerza para romper este material. (En la etapa inicial, argumentará que se necesita mucha fuerza para estirarse, así que, ¿cómo puede ser elástico?). La definición de elástico no establece que se requiera una fuerza menor para tensar el material, sino que establece el comportamiento del material cuando si lo deforma, siempre tiene la tendencia de volver a su forma original.) Observará que este material también se comporta de manera elástica, tire de él, se deformará, pero cuando lo libere, recuperará su forma original. longitud. En el caso de este cable también existe un límite para aplicar la fuerza, a una cierta magnitud de tracción comenzará a sentir que el material ya no requiere ninguna resistencia adicional para deformarse. La cantidad de deformaciones continúa aumentando a un nivel constante de fuerza y ​​se estira como un plástico. Sigue y sigue y sigue. Y en cierta etapa se romperá.

El acero puede estirarse casi 1.05 a 1.1 veces su longitud original, y eso es demasiado esfuerzo. Puedes imaginar la capacidad del material para estirarse.

¿eso significa que su rigidez debería ser menor ya que un miembro más rígido no sufrirá una gran deformación inelástica” – El punto en su pregunta.

La rigidez es la cantidad mínima de resistencia del material proporcionada para seguir los criterios de servicio. Debe tener una rigidez particular mínima para mantener la historia bajo límites. Debe mantener la desviación total del edificio bajo límites particulares. Por lo tanto, su rigidez está destinada a aumentar. Lo segundo sobre la deformación inelástica. Un miembro delgado se acercará a la deformación inelástica rápidamente en comparación con un miembro fornido o un miembro más rígido, porque la deflexión inelástica es la fase post-elástica del material, puede decirse etapa plástica. Entonces, sí, un miembro delgado sufrirá grandes deformaciones inelásticas, pero entonces sería muy difícil para las personas que residirán en el edificio.

¿Qué es exactamente la ductilidad en el diseño sísmico?
Bueno, si revisa las pautas, códigos y libros a fondo, todos han mencionado un punto importante. El punto de ductilidad significa no solo la ductilidad general de la estructura, sino la ductilidad de los miembros y las conexiones. El código requiere que sus secciones deberían ceder, sus conexiones deberían ceder. Cuando diseña cada miembro, eso es ductilidad incluida en las formulaciones. Cuando se diseña una conexión, las disposiciones aseguran que las juntas deben mostrar una característica de ceder en lugar de una falla frágil. Las bisagras de plástico deben formarse en la viga y no en las conexiones, las conexiones no deben mostrar signos de fallas de corte, los miembros en tensión deben alargarse libremente y así sucesivamente. Entonces, la ductilidad se refiere a la ductilidad del miembro y la conexión.

Por ejemplo, tome un marco de momento y un marco arriostrado. Las desviaciones en caso de terremoto en un marco de momento serán mayores que las de un marco arriostrado, pero las aceleraciones en el marco arriostrado serán mayores en un marco arriostrado en comparación con el marco de momento. Esto significa que la rigidez general del marco de momento es baja en comparación con el marco arriostrado y es realmente cierto. Pero aún así, se dice que los bot son de diseño dúctil. Puede tener un diseño dúctil de marcos de momento, así como un diseño dúctil de marcos arriostrados. La única razón es la ductilidad de los miembros y las articulaciones. Lo que sirve en el marco reforzado es que verá un daño significativo en los aparatos ortopédicos porque la energía absorbida por los miembros será muy alta, mientras que en el caso de los marcos el daño estructural será menor, pero el daño en las paredes será significativo. Así que siempre tenemos que comprometernos en un caso u otro.

La única desventaja de los miembros muy rígidos.
Considerando la misma tensión del material, pero considerando la alta y baja rigidez del miembro, se ha observado que el miembro con muy alta rigidez exhibe un comportamiento ligeramente frágil en comparación con el miembro con baja rigidez. Es por el término llamado desgarro laminar. El material simplemente exhibe un comportamiento quebradizo. Y aparte de esto, no hay una distribución uniforme de tensiones en el miembro. Entonces, lo que vemos es un comportamiento dúctil local, pero un comportamiento general frágil debido a la distribución desigual del estrés en el miembro.

Conclusión: Sí, aumentar la rigidez o el tamaño del miembro aumentará en cierta medida la naturaleza frágil de ese miembro en particular, pero la definición del diseño dúctil no es la misma forma en que pensamos acerca de la ductilidad del material. Traté de responder de la mejor manera posible. Disculpas por cualquier error.

Es incorrecto suponer que un miembro más rígido no sufrirá grandes deformaciones inelásticas o que la ductilidad y la rigidez son opuestas entre sí y que el aumento de una hará que la otra se vea comprometida.

Eche un vistazo a las curvas de tensión-deformación de diferentes tipos de materiales que muestran diversos grados de comportamiento plástico elástico. Ayuda a comprender los significados físicos de las definiciones de diferentes propiedades.

  • La rigidez se define como la resistencia ofrecida por una estructura o parte de ella al aplicar la deformación de la unidad. En la curva, la rigidez está representada por el ángulo que forma la parte elástica de la curva con el eje x.
  • La ductilidad es la propiedad de un material en virtud del cual tiene la capacidad de ser atraído hacia alambres delgados sin pérdida significativa de resistencia o rigidez. Está representado por la región plástica que es de cero o pendiente positiva. Se puede ver que la resistencia disponible en la región plástica aumenta o permanece constante pero no disminuye. No se relaciona de ninguna manera con la rigidez.
  • La propiedad de un material en virtud del cual se comporta plásticamente pero no exhibe mucha resistencia o rigidez es la maleabilidad. Creo que quizás has confundido la ductilidad con la maleabilidad.
  • Un material que es dúctil no pierde su resistencia y rigidez al alcanzar la plasticidad, que le sucede a un material maleable.

Ahora, para responder a su pregunta, no se recomienda el uso de miembros con baja rigidez en diseños sísmicos o resistentes a terremotos porque dichos miembros o estructuras absorberían más energía de las ondas sísmicas y la deflexión máxima sería mayor, así como las posibilidades de que ocurriera una falla. mayor.

De hecho, las estructuras están diseñadas con miembros de rigidez considerable para restringir las desviaciones máximas que ocurren durante los terremotos y para proteger contra fallas estructurales.

Los miembros dúctiles se utilizan para un diseño resistente a los terremotos porque tienen una gran capacidad de absorción de energía dada por las ondas sísmicas y los golpes. La capacidad de absorción de energía viene dada por el área bajo la curva elástica de plástico. Los materiales dúctiles tienen un amplio rango de plástico, por lo que pueden absorber una gran cantidad de energía en la zona de plástico. Esta propiedad se conoce como tenacidad y los materiales dúctiles exhiben un alto valor de tenacidad.

Por supuesto, una vez que un material entra en la zona de plástico, las deformaciones que ocurren son permanentes y la estructura probablemente experimentará un cambio adverso de forma o geometría junto con la pérdida de capacidad para soportar más carga. Esto significa que la estructura probablemente quedará inservible y también insegura después de que ocurra el terremoto, y requerirá una amplia revisión o renovación antes de volver a ponerse en uso. Pero la ductilidad evitaría que la estructura experimente una falla frágil durante el terremoto y, por lo tanto, evitaría daños a la vida y la propiedad.

La buena ductilidad significa que las estructuras están diseñadas para fallar de manera no frágil. Para los miembros de concreto reforzado, esto significará una colocación juiciosa del refuerzo para controlar el agrietamiento en las zonas de tensión, pero no una provisión excesiva de refuerzo en la medida en que la zona de compresión del concreto falle antes de ceder el acero.

Diseñar para la ductilidad es una buena práctica para cualquier escenario, no solo para la carga sísmica. Sin embargo, la carga sísmica puede inducir tensión en áreas que normalmente están en compresión, a través de la inversión de carga, por lo que si está diseñando una estructura en un área sísmicamente activa, es mejor que su estructura no se agriete bajo el primer terremoto que siente.

Aunque Issac ya ha elaborado las complejidades, aquí hay un punto que me gustaría agregar:

Aunque parece haber una compensación estricta entre resistencia y ductilidad, la relación, sin embargo, no puede aplicarse en general a todos los materiales.

Para el concreto de alta resistencia (resistencia a la compresión de hasta 90-95 MPa), se sabe que la adición de fibras pequeñas y delgadas (l ~ 8-12 mm) hace que la naturaleza frágil del material disminuya de manera apreciable. (especialmente en gran medida para miembros prismáticos).

Por lo tanto, el miembro estructural en lugar de verse comprometido en el frente de rigidez para compensar la ductilidad debe hacerse con un material que tenga alta ductilidad y alta resistencia (hormigón con una mezcla de diseño adecuada y una proporción de fibra adecuada).

Las cargas en cualquier estructura tienden a ser transportadas en gran medida por las zonas más rígidas de los elementos más rígidos. La deformación sísmica y la carga dinámica serán más severas en los elementos más rígidos. Por lo tanto, puede hacer que estos elementos sean lo suficientemente fuertes como para soportar las cargas o lo suficientemente dúctiles para arrojar la carga sobre los elementos de soporte de carga secundarios. Independientemente de lo que decida, la estructura debe mantenerse intacta o se corre un grave riesgo de colapso progresivo. Si los puentes en un terremoto se mueven tanto que se caen de sus soportes, simplemente las vigas de los puentes apoyados caen al río, por ejemplo, y el camino se derrumba. En el Reino Unido, los apartamentos de gran altura en Ronan Point sufrieron una explosión de gas doméstico en una cocina que voló las paredes: las paredes soportaban los pisos por encima de los cuales luego colapsaron y ese peso muerto repentino colapsó los pisos debajo de la explosión. Los códigos se cambiaron para que todos los elementos tuvieran una conexión secundaria para evitar el colapso progresivo. Por lo tanto, demasiada ductilidad o movimiento puede tener sus propios problemas.

Hola

Podemos definir la rigidez es la capacidad de construir para experimentar el desplazamiento de la unidad. Y para la ductilidad se define la capacidad de sufrir más deformación.

Cuando ocurre un terremoto, la estructura vibra y se mueve, lo que significa que si la estructura es más rígida, la vibración hará que el miembro y la conexión fallen y la estructura colapsará. Por eso para el diseño de EQ necesitamos más flexibilidad, lo que significa menos rigidez.

Esto es opuesto al diseño de viento. Para el viento, diseñamos la estructura hasta el límite elástico y es mejor usar un miembro rígido como muro de corte y arriostramiento, mientras que diseñamos para terremotos hasta el estado plástico también utilizamos un sistema de muro de corte pero es preferible el arriostramiento. Hoy en día la ingeniería desarrolla mucho de sistema de arriostramiento para estructura de acero y hormigón.

Conclusión

Para la acción sísmica, preferimos reducir la rigidez posible para aumentar la ductilidad de la estructura. Podemos mencionar que la estructura de acero es mejor para los países que generalmente tienen terremotos.

Rápido y simple: las columnas deben ser fuertes y rígidas para que el edificio NO se derrumbe / las conexiones [las columnas a las vigas deben ser fuertes para que no se rompan permitiendo que los pisos colapsen, las vigas serían miembros que podrían retorcerse y distorsionarse – ductilidad.

David

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