DISEO SSMICO Y ESTRUCTURAL EN EDIFICACIONES

Ing. Claudia Villanueva Flores

Marzo 2014

El presente enfoque tiene como fin dar a conocer al ingeniero civil, las

consideraciones desde el punto de vista ssmico, que tiene que tener

para realizar un optimo diseo estructural.

Se mostraran los tipos de anlisis que existen y que se realizan de

acuerdo a la norma peruana sismo resistente vigente en nuestro pas.

Tambin se mostrara un proyecto de una edificacin de 6 stanos, 19

pisos y azotea. Que para fines estructurales la azotea no se modelara

por su cambio brusco de masa y para no generar errores en los

anlisis se considerara como peso. Se vera la fase de anlisis para este

edificio

Los primeros criterios que tenemos que considerar son: 1.- MATERIALES ESTRUCTURALES 2.- ELEMENTOS ESTRUCTURALES 3.- SISTEMAS ESTRUCTURALES 4.- SISTEMAS DE PISO 5.- SISTEMAS PARA EDIFICIOS DE VARIOS PISOS

BAJA (1-5 PISOS) MEDIA (5 Y 20 PISOS) ALTA (MAS DE 20 PISOS)

Acero y albaileria Concreto reforzado Acero

Concreto reforzado Acero Concreto de alta resistencia

Concreto presforzado Concreto prefabricado Estructura mixta de acero y

concreto

Concreto prefabricado Concreto presforzado Concreto postensado

Albaileria

TIPO DE MATERIAL EN FUNCION A LA ALTURA DE UNA EDIFICACIN

CONFIGURACIONES Y SISTEMAS ESTRUCTURALES

La norma peruana especifica que para edificaciones con mas de

70m de altura se deber presentar memoria de clculos y datos

debidamente justificados.

Las normas de diseo establecen criterios bsicos para garantizar

que las estructuras tengan un comportamiento que asegure

primeramente la proteccin de vidas humanas, asegure la

continuidad de los servicios vitales y se minimicen los daos a las

estructuras.

Cuidados especiales

Ubicadas en zonas de alta sismicidad

Suelos de baja capacidad de carga

Zonas de vientos

Zonas propensas a la corrosin

Consideraciones de resistencia y deformacin

Daos se concentran en estructuras con cambios importantes en esbeltez, rigidez y resistencia.

Consideraciones de regularidad geomtrica

Daos se concentran en estructuras irregulares

Pisos blandos

Cambios bruscos de simetra en elementos rgidos tanto en planta y elevacin

Grandes entrantes y salientes

Consideraciones de regularidad estructural

Cumplir con la regularidad de la norma antissmica

Interaccin de elemento estructurales y no estructurales

Tomado de Configuracin y diseo ssmico de edificios, Christopher Arnold y Robert Reitherman, Mxico

Descripcin general

Lugar de construccin: Zona Ssmica

Terreno donde se cimentara: Suelo Tipo

Funcionabilidad: Uso

Caractersticas del edificio

Nmero de Pisos:

Tipologa Estructural: Prtico, dual, muros

corte etc.

Propiedades de los materiales

Resistencia del concreto: fc

Acero: fy

Entrepisos y Techo: Sistemas de losas

El diseo sismo resistente de estructuras posee un nivel de complejidad superior al del diseo para cargas estticas de gravedad, debido a los factores que se deben tener en cuenta en el.

a) La naturaleza del sismo.

b) La incertidumbre sobre la respuesta de la estructura.

c) Los mecanismos de falla y disipacin de energa.

d) El costo social asociado a la falla de edificios.

- Anlisis convencional (anlisis Modal Espectral, de uso

ingenieril ms comn).

- Anlisis incremental (anlisis Tiempo-Historia o Anlisis en el

dominio de las frecuencias).

Diagrama de las

deformaciones por

peso propio

Anlisis convencional DEAD en un solo paso

Anlisis incremental DEAD con el proceso

constructivo

Fuente Barboza 2007

Diagrama de

momentos

flectores por

peso propio

Anlisis convencional DEAD en un solo paso

Anlisis incremental DEAD con el proceso

constructivo

La norma de diseo sismo resistente considera:

- Estructuras regulares con altura mxima 45 m podr hacerse

un anlisis por fuerzas estticas equivalentes.

- Estructuras de muros portantes con altura mxima 15m

aun cuando sea irregular podr hacerse un anlisis por

fuerzas estticas equivalentes.

Toda estructura se comporta dinmicamente cuando se aplica

cargas o desplazamientos.

F=m*a si esta carga o desplazamiento se aplica lentamente la

inercia se puede despreciar y se justificara un anlisis esttico.

Los anlisis dinmicos se dividen usualmente en dos grandes grupos:

Anlisis convencional

Anlisis de valores y vectores propios.

Anlisis espectral modal.

Anlisis incremental

Anlisis tiempo-historia

Anlisis dinmico con cargas armnicas

Anlisis esttico lateral-incremental (push over analysis)

Ing. Rafael Salinas Basualdo CISMID-FIC-UNI

Anlisis convencional Anlisis incremental

ANALISIS DINAMICO

- Modos de vibracin

- Aceleracin espectral

- Criterios de combinacin

- Fuerza cortante mnima en la base

- Efectos de torsin

Modos de vibracin

Aceleracin Espectral

Evaluar el espectro en la

dos direcciones

principales

Espectros de aceleracin para diversos tipos de suelo

La respuesta mxima elstica esperada (r) correspondiente al

efecto conjunto de los diferentes modos de vibracin empleados

(ri) podr determinarse a travs de la expresin:

Otra solucin es encontrar la mxima respuesta mediante la

combinacin cuadrtica completa calculados para cada modo.

MODOS PERIODOS UX UY RX RY RZ Suma Masa RX Suma Masa RY Suma Masa RZ

1 2.18 9.88 32.40 57.940 17.65 6.29 57.94 17.65 6.29

2 1.16 39.86 11.46 21.070 72.70 0.00 79.01 90.35 6.29

3 0.58 1.07 3.96 0.169 0.03 4.40 79.18 90.38 10.70

4 0.50 3.08 14.18 17.995 4.14 37.08 97.17 94.52 47.78

5 0.27 9.72 0.02 0.035 2.13 0.89 97.21 96.65 48.67

6 0.27 4.96 6.39 1.124 1.44 0.73 98.33 98.09 49.40

7 0.17 1.70 5.30 0.552 0.19 0.26 98.89 98.29 49.66

8 0.14 0.49 3.03 0.249 0.05 11.25 99.13 98.34 60.91

9 0.13 8.13 1.62 0.208 1.00 0.05 99.34 99.33 60.97

10 0.11 0.58 2.19 0.158 0.04 2.29 99.50 99.37 63.26

11 0.09 1.85 3.61 0.177 0.09 3.45 99.68 99.46 66.71

12 0.09 2.39 2.69 0.128 0.16 0.01 99.81 99.62 66.72

13 0.08 2.24 0.36 0.021 0.13 0.01 99.83 99.75 66.73

14 0.08 2.29 1.40 0.044 0.10 0.05 99.87 99.86 66.78

15 0.07 0.01 0.10 0.012 0.00 13.47 99.88 99.86 80.25

16 0.07 0.04 1.94 0.056 0.00 2.68 99.94 99.86 82.93

17 0.06 3.63 0.85 0.026 0.12 0.05 99.97 99.97 82.99

18 0.05 0.01 0.79 0.014 0 1.03 99.98 99.97 84.01

19 0.05 0.33 0.25 0.000 0.00 6.02 99.98 99.97 90.04

20 0.05 0.99 0.51 0.005 0.01 0.09 99.99 99.99 90.13

21 0.05 0.00 0.00 0 0 0.00 99.99 99.99 90.13

22 0.05 0.20 0.00 0.000 0.004 0.02 99.99 99.99 90.15

23 0.05 0.02 0.55 0.004 0 0.28 99.99 99.99 90.42

24 0.04 0.74 0.23 0.002 0.004 0.03 99.99 100.00 90.45

25 0.04 0.35 0.59 0.001 0.001 1.35 99.99 100.00 91.80

26 0.04 0.02 0.29 0.001 0 0.59 99.99 100.00 92.40

27 0.04 0.09 0.01 0 0 0.00 99.99 100.00 92.40

28 0.04 0.01 0.00 0 0 0.00 99.99 100.00 92.40

29 0.04 0.31 0.32 0.0007 0.0005 0.02 99.99 100.00 92.42

30 0.03 0.44 0.69 0.0008 0.0001 0.04 100.00 100.00 92.45

31 0.03 0.12 0.11 0 0.0001 0.47 100.00 100.00 92.92

32 0.03 0.40 0.39 0.0005 0.0001 0.11 100.00 100.00 93.02

33 0.03 0.61 0.27 0.0005 0 0.61 100.00 100.00 93.63

34 0.03 0.35 0.44 0.0002 0 0.02 100.00 100.00 93.65

35 0.03 0.58 0.02 0.0001 0 0.02 100.00 100.00 93.67

36 0.03 0.09 0.00 0 0.0001 1.19 100.00 100.00 94.86

37 0.03 0.24 0.35 0.0001 0 0.11 100.00 100.00 94.97

38 0.03 0.11 0.07 0.0001 0 0.01 100.00 100.00 94.98

39 0.03 0.02 0.00 0 0 0.00 100.00 100.00 94.98

40 0.03 0.05 0.00 0 0 0.00 100.00 100.00 94.98

41 0.02 0.04 0.09 0 0 0.16 100.00 100.00 95.14

42 0.02 0.00 0.27 0.0002 0.0001 0.33 100.00 100.00 95.48

43 0.02 0.00 0.03 0 0 1.04 100.00 100.00 96.52

44 0.02 0.14 0.01 0 0 0.04 100.00 100.00 96.56

45 0.02 0.03 0.33 0.0003 0.0001 0.01 100.00 100.00 96.57

46 0.02 0.04 0.06 0 0 0.00 100.00 100.00 96.57

47 0.02 0.02 0.02 0 0.0001 0.63 100.00 100.00 97.20

48 0.02 0.05 0.05 0.0001 0 0.10 100.00 100.00 97.30

49 0.02 0.00 0.09 0.0001 0 0.02 100.00 100.00 97.32

50 0.02 0.01 0.00 0 0 0.00 100.00 100.00 97.32

51 0.02 0.01 0.08 0 0.0002 0.08 100.00 100.00 97.41

52 0.02 0.05 0.00 0 0 0.00 100.00 100.00 97.41

53 0.02 0.03 0.07 0.0001 0.0002 0.17 100.00 100.00 97.57

54 0.02 0.00 0.03 0 0 0.02 100.00 100.00 97.59

55 0.02 0.00 0.00 0 0 0.00 100.00 100.00 97.59

56 0.02 0.00 0.02 0.0006 0 0.03 100.00 100.00 97.63

57 0.02 0.22 0.00 0.0001 0.0002 0.01 100.00 100.00 97.64

58 0.02 0.01 0.04 0 0 0.20 100.00 100.00 97.84

59 0.02 0.07 0.05 0.0001 0 0.09 100.00 100.00 97.93

60 0.02 0.32 0.06 0.0002 0.0003 0.01 100.00 100.00 97.94

CALCULO DE LAS FUERZAS HORIZONTALES

Determinacin de Cargas Laterales

Cargas Estaticas Equivalentes - NTE E.030

Cortante en la base : .(1)

Donde :

Z =Factor de zona

U = Factor de uso e importancia

S = Factor de Suelo

C =Coeficiente de Amplificacin ssmica

R =Coeficiente de reduccin de solicitacin ssmica

P = Peso total de la Estructura

DIRECCION Y

hn = 61.40 : Altura de la estructura 61.40 : Altura de la estructura

Ts = 0.4 : Suelo bueno 0.4 : Suelo bueno

T=etabs 1.28 : X 2.20 : Y

ESTRUCTURA

C = 0.779 C

Piso Diafragmas Centro masas Centro masas Centro rigidez Centro rigidez

x y x y

T. 1 PISO D1 10.856 11.919 4.827 15.498

AZOTEA DA 7.405 14.641 -2.603 18.656

T. 17 PISO D17 10.777 11.472 -2.727 18.513

T. 16 PISO D16 10.735 11.2 -2.681 18.503

T. 15 PISO D15 10.735 11.2 -2.637 18.491

T. 14 PISO D14 10.735 11.2 -2.59 18.483

T. 13 PISO D13 10.735 11.2 -2.539 18.476

T. 12 PISO D12 10.591 11.164 -2.481 18.467

T. 11 PISO D11 10.591 11.164 -2.412 18.456

T. 10 PISO D10 10.591 11.164 -2.329 18.439

T. 9 PISO D9 10.591 11.164 -2.226 18.415

T. 8 PISO D8 10.591 11.164 -2.093 18.379

T. 7 PISO D7 10.624 11.168 -1.915 18.327

T. 6 PISO D6 10.283 12.009 -1.671 18.251

T. 5 PISO D5 10.283 12.009 -1.323 18.133

T. 4 PISO D4 10.283 12.009 -0.798 17.946

T. 3 PISO D3 10.874 11.233 0.06 17.626

T. 2 PISO D2 10.851 11.179 1.624 17.005

T.STANO1 DS1 12.071 10.352 11.519 11.612

T.STANO2 DS2 12.435 9.908 12.301 11.618

T.STANO3 DS3 12.516 9.952 12.086 11.642

T.STANO4 DS4 11.628 8.266 11.888 10.274

T.STANO5 DS5 11.608 8.234 11.691 9.656

T.STANO6 DS6 11.608 8.234 11.032 8.566

La norma peruana considera solamente el anlisis tiempo historia.

Pero considera que se podr realizar el anlisis dinmico tiempo

historia dentro del rango lineal y elstico.

La norma peruana considera que solo para edificaciones de uso

importante se considerara un anlisis inelstico de la estructura.

Para definir los anlisis tiempo historia necesitamos programas de

anlisis igualmente que para el anlisis dinmico debido a la cantidad

de ecuaciones.

Para estos anlisis necesitamos registros ssmicos de la zona escalados

Son pares (tiempo, aceleracin) que se generan durante un

evento ssmico.

Los registramos en acelergrafos.

Antiguamente eran analgicos (sismgrafos).

Actualmente son digitales.

Se procesan con programas adecuados, ejemplo el Seismosignal.

Ver: http://www.seismosoft.com/en/HomePage.aspx

Bueno y (todava) libre uso.

Como decan mis profesores en la universidad para utilizar un programa de anlisis, primero hay que entender como funciona el programa as como el contenido y fundamento de anlisis que se esta realizando.

Los anlisis de las estructuras en edificaciones que superan el limite recomendado por la norma deben ser evaluados minuciosamente hacer unos 20 procedimientos de anlisis ya sea con programas comerciales y evaluar principalmente, las deformaciones de la estructura, rigidez en planta, cortante por cada elemento y el momento debido al sismo en las dos direcciones .

Por el momento en nuestro pas es poca la informacin que se tiene acerca de los anlisis no lineales en las estructuras. Los edificios no superan los 40 pisos, se estn proyectando edificios de mayor altura por lo que tenemos que ir preparndonos para estos retos ya que nos encontramos en una zona de alto riesgo ssmico.

REFERENCIAS

Wilson, E.L. (2009). Three Dimensional Dynamic Analysis of

Structures. Computers and Structures, Inc. California, EEUU

Clough, R.W. y Penzien, J. (1975). Dynamics of Structures.

Mc.Graw - Hill. New York,

EEUU.

Meli Piralla, (1995). Diseo Estructural Limusa Noriega Editores,

Mexico.

Sarria, A. (1990). Ingeniera Ssmica. Ediciones Uni andes.

Bogot, Colombia.

Civil, Universidad Nacional de Ingeniera.

. Norma Peruana Diseo Sismo resistente E-030. Peru (2003)

. www.sciencedirect.com

. www.sci.org

MUCHAS GRACIAS