Un Un buenbuen disediseññoo conceptual conceptual comocomo requisitorequisito parapara un un buenbuen comportamientocomportamiento

estructuralestructural

Amador Terán Gilmore

ANTECEDENTES

La función del ingeniero estructural, comprende la obligación de satisfacer las cada vez más complejas necesidades y expectativas que surgen de la construcción de obras de ingeniería civil.

Sismo de Northridge: Hospital VSA

Sismo de Northridge: Hospital Olive View

Esta problemática ha sido enfatizada por lasgrandes pérdidas económicas y humanasocurridas durante eventos sísmicos recientes.

• Consideración parcial del desempeño de estructuras estándar

• Bases poco sólidas para el diseño de estructuras especiales

• No acomodan avance tecnológico

Problemática con formatos actuales de diseñosísmico:

Se requiere un enfoque integral de control de daño:

Estructura = Sistema estructural + Sistema noestructural + Contenido

GENERALIDADES DEL DISEÑO

SÍSMICO

DEMANDA SÍSMICA ≤ CAPACIDAD SÍSMICA

de de

Resistencia ResistenciaRigidez Rigidez

Capacidad de Capacidad deDeformación Deformación

Disipación extrade energía

Disipación extrade energía

El nivel de daño o de degradación que sufren los elementos estructurales, no estructurales y el contenido, dependen de los valores del desplazamiento (deformación plástica), velocidad y aceleración lateral.

Un menor nivel de respuesta implica menornivel de daño

Elementos no estructurales: control de desplazamiento lateral

Elementos estructurales: control de desplazamiento lateral

Contenido: Control de aceleración y velocidad

Turquía, 0.35 g

Turquía, 0.70 g

Las características mecánicas de la estructura deben proporcionarse para controlar y acomodar, dentro de límites técnicos y económicos aceptables, su respuesta dinámica durante las excitaciones sísmicas de diseño

Con sistemas estructurales tradicionales es posible controlar la demanda de desplazamiento lateral (daño estructural y no estructural), mientras que el control razonable de la velocidad y la aceleración solo es posible por medio de sistemas innovadores (daño en contenido).

Las nuevas tendencias de diseño sísmico, demandan del ingeniero estructural el manejo explícito de las característicasmecánicas de diferente tipo de sistemasestructurales (tradicionales o innovadores), con el fin de controlar adecuadamente la respuesta dinámica de la estructura.

CONTROL DE LA RESPUESTA

SÍSMICA

Integridad Estructural

Es necesario generar sistemas estructurales que sean capaces de resistir las excitaciones sísmicas severas mediante un mecanismo estable:

Cortante Basal

Desplazamiento

Dinámica estructural

• Bases para explicar la respuesta sísmica de las estructuras sismorresistentes (amplificación o deamplificación)

• Herramientas para estimar las demandas sísmicas• Control de la respuesta estructural

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 1 2 3 4

T (seg)

Sa

μ = 1

μ = 3

B

C

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 1 2 3 4

T (seg)

Sa

μ = 1

μ = 3

B

C

0

25

50

75

100

125

150

0 1 2 3 4T (seg)

Sd

μ = 1

μ = 3

B

C

0

25

50

75

100

125

150

0 1 2 3 4T (seg)

Sd

μ = 1

μ = 3

B

C

• El control de la respuesta sísmica requiere de la selección juiciosa de las características mecánicas de una estructura

• Un incremento arbitrario de las capacidades sísmicas, puede llevar a un desempeño sísmicoinadecuado

• Un espectro de respuesta, es una fuente de información cuantitativa y cualitativa

Control, control y máscontrol

Sistema Estructural Distorsión de entrepisoque inicia daño

Distorsión de entrepisopara daño total

Sistema No Estructural Distorsión de entrepisoque inicia daño

Distorsión de entrepisopara daño total

A veces, el control de daño no-estructural imponerestricciones mas severas al diseño que al aspectoestructural:

Fuerza

Distorsión0.002 0.007

0.020

DISEÑO POR DESEMPEÑO

FASE CONCEPTUAL

FASE NUMÉRICA

IMPLANTACIÓN

LA FASE CONCEPTUAL

Cortante Basal

Desplazamiento

OperaciónCompleta

ESTADOS LÍMITE

δu

δmaxOC

Cortante Basal

Desplazamiento

Operación

ESTADOS LÍMITE

δu

δmaxO

Cortante Basal

Desplazamiento

Seguridad de Vida

ESTADOS LÍMITE

δu

δmaxSV

Cortante Basal

Desplazamiento

Colapso Incipiente

ESTADOS LÍMITE

δu

δmaxCI

Cortante Basal

Desplazamiento

Operación-Sismo Ocasional

δmaxO

δmaxO

Cortante Basal

Desplazamiento

Seguridad-Sismo Raro

δmaxSV

δmaxSV

Cortante Basal

Desplazamiento

Colapso-Sismo Muy Raro

δmaxCIδmax

CI

Cortante Basal

Desplazamiento

Op. Completa-Sismo Frecuente

δmaxOC

δmaxOC

Objetivos de diseño para estructura de ocupación estándar

DESEMPEÑO

INACEPTABLE

OperaciónCompleta

OcupaciónInmediata

Seguridadde Vida

ColapsoIncipiente

Frecuen te

Ocasional

Raro

Muy raro

CriterioDesemp.

NivelSísmico

Estructuras de Ocupación Estándar

Estructuras Esenciales/Peligrosas

Estructuras Críticas

Operación

Inde

finic

ión

Esfuerzo mayor

Objetivos de Diseño

Esfuerzo Reciente

Algunos estudios sugieren, que el costo total de una estructura tiende a ser mas bajo cuando se restringe el nivel aceptable de daño para excitacionessísmicas severas.

LA FASE NUMÉRICA

El ingeniero estructural debe establecer las características mecánicas de la estructura que le permitan controlar y acomodar la respuesta dinámica dentro de límitesaceptables. Lo anterior le hace posiblecontrolar el nivel de daño o de degradación en elementos estructurales, elementos no estructurales y en el contenido, de acuerdo al desempeño deseado.

Planteamiento PEER

INNOVACIÓN: RESPUESTA

SÍSMICA DE LAS EDIFICACIONES DE

MAMPOSTERÍA

Vmáx

Vagr

Vult

DIagr DImáx DIult

K0

Agrietamiento del murola mampostería.

Cortante máximo en elmuro de mampostería.

Cortante último en elmuro de mampostería.

Las propiedades utilizadasen el análisis, son tomadas de

muros aislados

Envolvente decomportamiento

histerético.

β = 12

P

D oblem enete E m p otrad o

Δ

13 −

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

GAh

EIhKo β

Relaciones carga deformación de elementos de mampostería.

Modelo analítico (Flores-Alcocer, 1995) Mampostería confinada sin

refuerzo horizontal. Mampostería confinada con

refuerzo horizontal.

RDFagr VV = HK

VDI

o

agragr = URDFagr VV =

HKV

DIo

agragr =

agrVV 25.1max = 003.0max =DI agrVV 5.1max = 006.0max =DI

agrult VV 8.0= 005.0=ultDI agrult VV 1.1= 01.0=ultDI

Componente de deformación que controla la respuesta.

Los muros de mampostería de estructuras destinadas a vivienda, tienden a exhibir un comportamiento dominado por corte.

Después del agrietamiento diagonal, la respuesta de la mampostería es controlada por deformaciones de corte.

13 −

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

GAh

EIhKo β

DES

. / D

ES. T

OTA

L

1

0.8

0.0

0.2

0.4

0.6

1 4 7 10 13CICLO

agrietamiento diagonal.

FLEXIÓN

CORTE

b) MURO ACOPLADO.DEFLEXIÓN

Análisis no lineal de las estructuras de mampostería.25

0cm

240 cm 100 cm 160

250

cm

250 cm

250

cm25

0cm

MUROS EN EL PLANO DE CARGA MUROS CABECEROS

COLUMNA ANCHA

VIGA DEACOPLAMIENTO

COLUMNA ANCHA

COLUMNA ANCHA

COLUMNA ANCHA

SECCIONES INFINITAMENTERIGIDAS.

ARTICULACIONES CON LASPROPIEDADES A CORTE DEL

MURO

Modelo 3D (Alcocer, 1993)

El modelo de columna ancha da resultados razonables en el modelado analítico de lasestructuras de mampostería.

Sin embargo, las propiedades de las columnas que modelan los muros deben contemplar el comportamiento no lineal de la mampostería.

Vmáx

Vagr

Vult

DIagr DImáx DIult

K0

Agrietamiento del murola mampostería.

Cortante máximo en elmuro de mampostería.

Cortante último en elmuro de mampostería.

Las propiedades utilizadasen el análisis, son tomadas de

muros aislados

Envolvente decomportamiento

histerético.

-60

-45

-30

-15

0

15

30

45

60

-0.6% -0.5% -0.4% -0.3% -0.2% -0.1% 0.0% 0.1% 0.2% 0.3% 0.4% 0.5% 0.6%

DI(%)

Cor

tant

e B

asal

(Ton

)

Resultados analiticos

Resultados experimentales (+)

Resultados experimentales (-)

A partir de una análisis estático no lineal bajo desplazamiento lateral monótonamente creciente, es posibleestimar la curva de capacidad de las estructura.

Análisis no lineal de las estructuras de mampostería.

El análisis debe contemplarel comportamiento local y global de la estructura.

Análisis no lineal de las estructuras de mampostería.

Mientras que los resultados del análisispushover permiten establecer una relaciónentre la demanda de desplazamiento global de la estructura y el nivel de daño en la misma, la demanda de desplazamiento de la estructura se obtiene a partir de un sistemaequivalente de 1GL.

El planteamiento del sistema de 1GL, debecontemplar explícitamente el diferente nivelde degradación en los entrepisos de la edificación.

Ts = 3.0 seg

0

1

2

3

0.00% 0.01% 0.02% 0.03% 0.04% 0.05% 0.06%

DI (%)

GDL

K/Ko= 0.996K/Ko= 0.8669K/Ko= 0.6759K/Ko= 0.6054K/Ko= 0.4965K/Ko= 0.385K/Ko= 0.2725K/Ko= 0.1962

117

123

117

123

117

123

1 4

240

240

240

720

298 110 86 124 86

1 4

a) Marco A (Arias, 2005) b) Modelo Columna anchab) Modelo Columna ancha c) Modelo equivalente

Masa SE1GL

00

-50-40-30-20-10

01020304050

-0.006 -0.004 -0.002 0 0.002 0.004 0.006

Análisis no lineal de las estructuras de mampostería.

Curva de comportamiento SMGDL

0

20

40

60

80

100

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007

Des (m)

V (Ton)

Las propiedades dinámicas del sistema de 1GL, deben ser congruentes con el estado esperado de daño (distribución relativa de daño).

El modelo histerético del sistema de 1GL, debe ser capaz de capturar de manerarazonable el comportamiento no lineal de la mampostería ante cargas cíclicas.

Curva de comportamiento SUGDL

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02

Sd (m)

Sa (1/g)

Pyn

HCxPyn

Fmax

Fn

Uy Umax

ΔF

a) Modelo de degradación de rigidez b) Modelo de deterioro de resistencia

Fn=Fmax(1-HBExE-HBDx μ )

HSxPy

Pyp

Pcp

c) Adelgazamiento cerca del origen

Análisis no lineal de las estructuras de mampostería.El modelo histerético del sistema de 1GL, debe contemplar degradación de rigidez y resistencia

-50-40-30-20-10

01020304050

-0.006 -0.004 -0.002 0 0.002 0.004 0.006

DI(mm/mm)

Cor

tant

e (T

on)

-50-40-30-20-10

01020304050

-0.006 -0.004 -0.002 0 0.002 0.004 0.006

DI(mm/mm)

Cor

tant

e (T

on)

Los parámetros del modelo histerético, deben calibrarse cuidadosamente a partir de resultados experimentales.

DI(%)

Cor

tant

e B

asal

(Ton

)

Dañoligero (I)

Dañomoderado

(II y III)

Dañofuerte

(IV)

Dañofuerte

(IV)

Dañofuerte

(V)

Curva de Pushover

Evaluación del daño en las estructuras a un nivel global.

Con la demanda máxima de desplazamiento lateral del sistema de 1GL, es posible estimar la distorsión máxima en el entrepiso crítico. En función de esto, se puede determinar el estado de dañoestructural y no estructural en la edificación, y por tanto evaluar el desempeño sísmico de la estructura.

Fuerte0.900.270.20Inicio de la penetración del fisuramiento inclinado en los extremos de los castillos.

Moderado0.850.350.13Primer agrietamiento de la mampostería por tensión diagonal o cortante.

Fuerte1.00.180.32Aplastamiento del concreto, agrietamiento

horizontal distribuido en la altura de los castillos.

Fuerte0.980.240.23Agrietamiento en forma de “X” en todos los paneles de mampostería.

Grave0.800.100.50Concentración de daño en los extremos

inferiores de los castillos. Plegamiento del refuerzo longitudinal.

Grave0.990.130.42Concentración de grietas diagonales en los extremos de los castillos. Desconchamiento

del recubrimiento de concreto.

Ligero 0.500.800.04Fisuras horizontales por flexión cercanas al paño de los castillos.

Grado de daño.V/VmaxK/Ko

Distorsión(%)

Estado de Daño Observado.

(Ruiz et al., 1998)(Ruiz et al., 1998)

RETOS

Nuestro gran reto:¡¡¡¡Innovar!!!!

Debemos pasarde esto:

Control de daños

Seguridad de VidaColapso

Cortante Basal

Desplazamiento

Colapso Incipiente

Cortante Basal

Desplazamiento

Colapso Incipiente

A esto:

Pesos

Tiempo

Muertes

Cortante Basal

Desplazamiento

Colapso Incipiente

Cortante Basal

Desplazamiento

Colapso Incipiente

Cortante Basal

Desplazamiento

Operación

$ $

$ $

Esto implica lograr que el aspecto técnicoinvolucrado en el proyecto, no este subordinado a los demás aspectos a través de hacer ingenieríaconceptual de alto nivel que, a pesar de ser bienremunerada, arroje beneficios al cliente.

Lo anterior requiere:

1) Coordinar esfuerzos de investigación– Interdisciplinarios– Marco de referencia. Definiciones y convenciones– Normatividad basada en desempeño– Balance Costo-Beneficio– Ventajas profesionales– Sistemas y materiales innovadores

2) Enfocar educación en ingeniería sísmica– Universitaria (licenciatura y posgrado)– Eduación continua – Cultura sísmica (inversionista, arquitecto, usuario,

autoridad, sociedad civil)

3) Mejorar el ámbito bajo el cual se diseñan las estructuras sismorresistentes– Legal– Económico– Profesional