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  • DISEÑO SISMICO BASADO EN LA PERFORMANCE

    Raúl D. Bertero

    Universidad de Buenos Aires

  • • INTRODUCCIÓN: ¿POR QUÉ DISEÑO BASADO EN LA PERFORMANCE?

    • ALGUNAS METODOLOGÍAS DE DISEÑO BASADAS EN LA PERFORMANCE QUE HAN SIDO PROPUESTAS

    • CARACTERÍSTICAS QUE DEBERÍA TENER UNA METODOLOGÍA DE DISEÑO BASADA EN LA PERFORMANCE

    • METODOLOGÍA DE DISEÑO COMPRENSIVA

    • EJEMPLO DE APLICACION

    • CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

    DISEÑO SISMICO BASADO EN LA PERFORMANCE

  • ¿POR QUÉ DISEÑO BASADO EN LA PERFORMANCE?

    OLIVE VIEW HOSPITAL (Terminado en Octubre de 1970)

    • Sismo de San Fernando (Febrero de 1971)

    • M= 6.6

    • Distancia al epicentro = 10 km

  • ¿POR QUÉ DISEÑO BASADO EN LA PERFORMANCE?

    OLIVE VIEW HOSPITAL (Re-diseñado en 1976)

  • ¿POR QUÉ DISEÑO BASADO EN LA PERFORMANCE?

    2.30g

    0.80g0.80g

    • Sismo de Northridge (Enero de 1994)

    • M= 6.7

    • Distancia al epicentro = 14 km

    • Sin daños estructurales

    • El hospital debió ser evacuado durante varios días debido a la rotura de sprinkler, otras cañerías, equipos médicos, etc.

  • • Loma Prieta, CA Octubre 1989– 6.9 (Mw) moment magnitude earthquake– $7,000 millones en daños

    • Northridge, CA Enero 1994– 6.7 (Mw) moment magnitude earthquake– $30,000 millones en daños

    • Kobe, JAPAN Enero 1995– 6.9 (Mw) moment magnitude earthquake– $200,000 millones en daños– 4% del PBI de Japón

    ¿POR QUÉ DISEÑO BASADO EN LA PERFORMANCE?

    Necesidad de controlar los daños en elementos estructurales, no estructurales, contenidos así como los costos indirectos de un sismo.

  • ¿POR QUÉ DISEÑO BASADO EN LA PERFORMANCE?

    • Evitar el colapso de la estructura para un sismo extraordinario no es suficiente

    • Es necesario que para niveles especificados de movimientos del terreno y con definidos niveles de confiabilidad el edificio no resulte dañado más allá de ciertos estados límites de utilización.

  • Necesidad de considerar el daño estructural

    Despreciable

    Pequeño

    Moderado

    Severo

    Completo

  • NECESIDAD DE CONSIDERAR EL DAÑO ESTRUCTURAL

    F

    y∆

    yF

    u∆

    EL DAÑO ES SENSIBLE A LOS DESPLAZAMIENTOS

    DAÑO CRECIENTE

    y

    u y

    DM∆ − ∆

    =∆ − ∆

    H

    y u

    E

    F

    µα+

    • Lineamientos para el Diseño Basado en la Performance:– SEAOC 1995 (Vision 2000)– FEMA 1996 (FEMA 273/274)– ATC 1996 (ATC 40)

  • METODOLOGÍAS DE DISEÑO BASADO EN LA PERFORMANCE

    Procedimiento no-lineal estático: “Capacity Spectrum”

    Freeman (1975)

    Priestley (1993)

    Giuliano y otros (2004)

    •Amortiguamiento equivalente

    •Análisis “Push-over” incompatible con la acumulación de daño y el comportamiento de los modos superiores

    •Concentración del daño

    22

    ( ) ( )a d

    S T S TT

    π =

  • METODOLOGÍAS DE DISEÑO PARA LA APLICACIÓN DE INGENIERÍA BASADA EN LA PERFORMANCE

    • Diseño basado en fuerzas

    • Diseño basado en desplazamientos (Priestley – Mohele/ATC 40)

    • Diseño basado en energía (Goel, Stojadinovic)

    • Diseño comprensivo

    F

    y∆

    yF

    u∆

  • NIVEL DE PERFORMANCE

    NIV

    EL

    DE

    INT

    EN

    SID

    AD

    SÍS

    MIC

    A

    Servicio continuo OperancionalSegurudad de vidas Pre-colapso

    Frecuente (20 años)

    Ocasional (72 años)

    Raro (475 años)

    Muy raro (1000 años)

    Performance Inaceptable

    IntensidadSísmica

    Período deRetorno(años)

    DañoEstructural

    DM LocalProb. Falla

    Daño no-estructural

    IDIProb. Falla

    Daño a loscontenidos

    Acel.Prob. Falla

    Servicio 20 0.20 20% 0.003 30% 0.6 g 30%

    Seguridad deVidas

    475 0.60 10% 0.015 20% 1.2 g 20%

    ¿Cuales son los requerimientos de la ingenería basada en la performance?

  • CARACTERÍSTICAS DE LA INGENIERÍA BASADA EN LA PERFORMANCE

    • Necesidad de criterios de diseño con intensidades sísmicas múltiples

    • Necesidad de una metodología de diseño probabilística

    • Necesidad de considerar daños a elementos estructurales, no-estructurales y contenidos

    “Es necesario que para niveles especificados de movimientos del terreno y con definidos niveles de confiabilidad el edificio no resulte dañado más allá de ciertos estados límites de utilización”.

    DISEÑO COMPRENSIVO

  • CARACTERÍSTICAS DE LA INGENIERÍA BASADA EN LA PERFORMANCE

    • Necesidad de un criterio de diseño con intensidades sísmicas múltiples

    • Necesidad de una metodología de diseño probabilística• Necesidad de considerar daños a elementos estructurales, no-

    estructurales y contenidos– Necesidad de un espectro de diseño para edificios (n GL)– Necesidad de espectros de daño local– Necesidad de considerar el daño acumulado– Necesidad de considerar no solamente los desplazamientos sino

    también la ductilidad (resistencia mínima)

    • Necesidad de un procedimiento de diseño conceptual y comprensivo (basado en el comportamiento real de las estructuras)

  • 0.0

    0.4

    0.8

    1.2

    1.6

    0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0T (s)

    Cy

    Es muy importante que el diseñador reconozca desde el comienzo del diseño la implicancia de los objetivos de performance seleccionados.

    Servicio A TR=72 years, ξ=2%, µ=1

    Servicio B TR=20 years, ξ=2%, µ=1

    Seguridad TR=500 years, ξ=5%, µ=3

    NECESIDAD DE CRITERIOS DE DISEÑO CON INTENSIDADES SÍSMICAS MÚLTIPLES

  • Necesidad de una metodología de diseño probabilística

    El análisis probabilístico permite la optimización económica del costo total (costo inicial más costo de las reparaciones y costos indirectos)

  • En el diseño sísmico las incertidumbres en la demanda son muy grandes en comparación con las de la capacidad.

    COV (δ) de acciones

    Necesidad de una metodología de diseño probabilística

    0.10 DL0.25 LL

    0.37 WL0.26 S

    1.38 EQ

    COV (δ) de capacidades

    0.17 Acero ret.0.13 Acero flex.0.19 H.A. corte0.14 H.A. flex.

    ( )1 ( )EQ fC D D Pβδ φ≥ + =

    ( )fP β= Φ −

    0 1 2 3 4 51 .10

    7

    1 .106

    1 .105

    1 .104

    1 .103

    0.01

    0.1

    10.5

    2.867 107.

    pnorm β 0, 1,( )

    50 β

    fP

    β

  • NECESIDAD DE UNA METODOLOGÍA DE DISEÑO PROBABILÍSTICA

    0.01

    0.1

    1

    Exc

    eede

    nce

    Pro

    babi

    lity

    0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02

    Interstory Drift Index

    Probability of Limit State Exceedencein 50 years

    FullyOperational

    Operational

    Life Safety

    NearCollapse

    Non-acceptableDesign Zone

    AcceptableDesign Zone

    Performance ObjectiveCurve

    Design A Performance

    Design B Performance

    ( )0

    ( ) ( )IDI PGAy P IDI y PGA x d xλ λ∞

    = ≥ =∫

    SismicidadComportamiento estructural para un sismo dado

    λ = Frecuencia anual media

    0( )k

    PGA x k xλ−= .

    , 1.20 1.05 0.24 0.20

    , 1.40 1.05 0.24 0.20

    , 1.50 1.05 0.24 0.20

    , 1.70 1.05 0.24 0.20

    n n nfreq

    n n noccas

    n n nrare

    n n nv rare

    Frequent EQGMs EQ D L S

    Occasional EQGMs EQ D L S

    Rare EQGMs EQ D L S

    Very Rare EQGMs EQ D L S

    + + +

    + + + + + +

    + + +

  • NECESIDAD DE UN ESPECTRO DE DISEÑO PARA EDIFICIOS

    u tg( )

    v(t)u(t)

    m

    k/2 k/2

    tɺɺ ( )u tg

    ɺɺ ɺ ɺɺv v ug

    + + = −2 2ξ ω ω

    v S Tdmax ( , )= ξ

    ESPECTROS DE RESPUESTA DE 1GL

    • Espectro de fuerzas/aceler.

    • Espectro de desplazamientos

    • Espectro de daño

    ESPECTROS DE RESPUESTA DE N GL

    x

    v x t( , )

    IDI x t( , )

    m x( ) v x t x q tn nn

    N

    ( , ) ( ) ( )==

    ∑ϕ1

    IDI x tv x t

    x

    x

    xq tn n

    n

    N

    ( , )( , ) ( )

    ( )=∂

    ∂=

    ∂=∑

    ϕ

    1

    ɺɺ ɺ ɺɺ ( )q qM

    u tn n n n nn

    n

    g+ + = −22ξ ω ω

    Γ

    • Espectro de fuerzas/aceler.

    • Espectro de IDI

    • Espectro de daño local

    22

    ( ) ( )a d

    S T S TT

    π =

  • NECESIDAD DE UN ESPECTRO DE DISEÑO PARA EDIFICIOS

    Elastic IDI (Los Gatos EQGM)

    0

    0.01

    0.02

    0.03

    0.04

    0.05

    0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

    Period, T (s)

    Sto

    ry D

    rift I

    ndex

    , ID

    I

    H=30 mH=60 m

    H=90 m

    H=120 m

    5 %ξ =Elastic IDI (SCT EQGM)

    0

    0.01

    0.02

    0.03

    0.04

    0.05

    0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

    Period, T (s)

    Sto

    ry D

    rift I

    ndex

    , ID

    I

    H=30 m

    H=60 m

    H=90 m

    H=120 m

    5 %ξ =

    Inelastic IDI (Los Gatos EQGM)

    0

    0.01

    0.02

    0.03

    0.04

    0.05

    0.06

    0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

    Period, T (s)

    Sto

    ry D

    rift I

    ndex

    , ID

    I

    5 %ξ =

    1.0µ =

    2.0µ =

    3.0µ =

    4.0µ =

    3 / 40.0731 [ ]T H H m=

    Inelastic IDI (SCT EQGM)

    0

    0.01

    0.02

    0.03

    0.04

    0.05

    0.06

    0 50 100 150 200

    Building Height, H (m)

    Sto

    ry D

    rift I

    ndex

    , ID

    I

    5 %ξ =

    1.0µ =

    2.0µ =

    3.0µ =

    4.0µ =

    3 / 40.0731 [ ]T H H m=

    INFLUENCIA DE LA DUCTILIDAD POR LA CONCENTRACIÓN LOCAL DEL DAÑO

    0.414 2 0.414

    1

    2( , )

    n

    d i i

    i

    IDI IDI S TH

    µ µ ξ µ=

    = = ∑

  • NECESIDAD DE CONSIDERAR EL DAÑO ACUMULADO

    y

    u y

    DM∆ − ∆

    =∆ − ∆

    DM due to maximum IDI (Los Gatos EQGM)

    0.0

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1.0

    1.2

    0 50 100 150 200

    Building Height, H (m)

    Dam

    age

    Inde

    x, D

    M

    5 %ξ =

    2.0µ =

    3.0µ =

    3 / 40.0731 [ ]T H H m=

    1.5µ = 1.0µ =

    0.05 0.20umon

    bθ = =

    umon

    IDIIDI

    IDI

    µ

    θµ

    DM due to maximum IDI (SCT EQGM)

    0.0

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1.0

    1.2

    0 50 100 150 200

    Building Height, H (m)

    Dam

    age

    Inde

    x, D

    M

    5 %ξ =

    2.0µ =3.0µ =

    3 / 40.0731 [ ]T H H m=

    1.5µ =1.0µ =

    0.05 0.20umon bθ = =

    umon

    IDIIDI

    IDI

    µ

    θµ

    0.0

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1.0

    1.2

    0 50 100 150 200

    Building Height, H (m)

    Dam

    age

    Inde

    x, D

    M

    5 %ξ =

    2.0µ =3.0µ =

    3 / 40.0731 [ ]T H H m=

    1.5µ =1.0µ =

    0.05 0.20umon bθ = =

    2

    umon

    IDIbγ µ

    θ

    DM due to cumulative hysteretic energy (Los Gatos EQGM) DM due to cumulative hysteretic energy (SCT)

    0.0

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1.0

    1.2

    0 50 100 150 200

    Building Height, H (m)

    Dam

    age

    Inde

    x, D

    M

    5 %ξ =

    2.0µ =

    3.0µ =

    3 / 40.0731 [ ]T H H m=

    1.5µ =1.0µ =

    0.05 0.20umon bθ = =

    2

    umon

    IDIbγ µ

    θ

    y

    u y

    DM∆ − ∆

    =∆ − ∆

    H

    y u

    E

    F

    µα+

    H

    y u

    E

    F

    µα+

    0. 142 4

    L

    umonumon

    IDIb

    IDIIDI

    DMIDI

    I IIDI

    D

    γ µµ

    µ

    µ

    = + −

  • 0.00

    0.20

    0.40

    0.60

    0.80

    1.00

    1.20

    0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

    0.00

    0.20

    0.40

    0.60

    0.80

    0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

    NECESIDAD DE CONSIDERAR NO SOLAMENTE LOS DESPLAZAMIENTOS SINO TAMBIÉN LA DUCTILIDAD (RESISTENCIA MÍNIMA)

    • Para limitar el daño es necesario controlar no solamente desplazamientos sino también ductilidadT (s)

    T (s)

    DM

    DM

    Los Gatos

    SCT

    µ = 1.5

    µ = 3.0

    µ = 2.0

    µ = 1.5

    µ = 3.0

    µ = 2.0

    • Para limitar la demanda de ductilidad es necesaria una resistencia mínima

    y

    u y

    DM∆ − ∆

    =∆ − ∆

    H

    y u

    E

    F

    µα+

  • NECESIDAD DE CONTROLAR DAÑOS NO-ESTRUCTURALES Y CONTENIDOS

    Causado por las aceleraciones de los pisos

    •• Cielorrasos• Equipos• Ascensores• Contenidos

    Causados por las distorsiones de los

    entrepisos (IDI)

    •• Cerramientos• Cañerías• Fachadas• Ventanas

  • 0.00

    0.30

    0.60

    0.90

    1.20

    1.50

    1.80

    0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

    0.00

    0.30

    0.60

    0.90

    1.20

    1.50

    1.80

    0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

    NECESIDAD DE UN PROCEDIMIENTO DE DISEÑO CONCEPTUAL Y COMPRENSIVO

    T (s)

    T (s)

    Sd (m)

    Cyµ = 1.5µ = 2.0 ξ = 5 %µ = 3.0

    µ = 1.5µ = 2.0 ξ = 5 %µ = 3.0

    Elastic

    ξ= 30 %

    Elastic

    ξ = 30 %

    Diseño basado en desplazamientos: Amortiguamiento equivalente

    Es importante que el diseñador reconozca que el amortiguamiento es más eficiente que la ductilidad en controlar los desplazamientos

    Takatori

    2 2

    2 2

    ( )( , )2 Nonlinear equation

    ( )2 "Equivalent" linear equation

    gs

    n n n

    y y y y

    g

    e n n n

    y y y y

    mu tf u uu u

    u u f f

    mu tu u u

    u u u f

    ξω ω ω

    ξ ω ω ω

    + + = −

    + + = −

    ɺɺɺɺɺ ɺ

    ɺɺɺɺ ɺ

  • 0.000

    0.005

    0.010

    0.015

    0.020

    0.025

    0.030

    0.035

    0.040

    0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

    H=30 m

    H=60 m

    H=90 m

    H= 120 m

    ξ = 5%

    0

    5

    10

    15

    20

    25

    30

    35

    40

    0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

    m/s

    2

    Takatori

    Los Gatos

    Kobejma

    Lexdam

    UBC 1997 > 24 km de la Falla

    UBC 1997 > 3 km de la Falla

    UBC 1997 Incorpora coeficientes por "Near Fault effects"

    Es posible satisfacer losrequisitos de performancecon los procedimientostradicionales de diseño?

    Métodos innovadores de diseño sísmico

    IMPLICANCIAS PARA EL DESARROLLO DE NUEVAS TECNOLOGÍAS DEL DISEÑO BASADO EN LA PERFORMANCE

  • 0.000

    0.005

    0.010

    0.015

    0.020

    0.025

    0.030

    0.035

    0.040

    0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

    H=30 mH=60 m

    H=90 m

    H= 120 m

    ξ = 5%

    0.000

    0.005

    0.010

    0.015

    0.020

    0.025

    0.030

    0.035

    0.040

    0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

    H=30 m

    H=60 m

    H=90 m

    H= 120 m

    ξ = 30%

    LA METODOLOGÍA DE DISEÑO PROPUESTA IMPULSA EL DESARROLLO DE LOS MÉTODOS INNOVADORES DE DISEÑO SÍMICO

    Ductilidades crecientes

    Ductilidades crecientes

  • METODOLOGÍA PARA LA APLICACIÓN DEL DISEÑO SÍSMICO BASADO EN LA PERFORMANCE

    • Una metodología que conduzca desde los objetivos de performance al diseño en forma explícita y transparente

    • Que impulse el desarrollo de los métodos innovadores de diseño sísmico

    • Utilice criterios de diseño con intensidades sísmicas múltiples

    • Utilice una metodología de diseño probabilística

    • Que controle el daño estructural y no-estructural limitando los desplazamientos y la ductilidad (resistencia mínima)

    • Que controle el daño a los contenidos limitando las aceleraciones

    DISEÑO COMPRENSIVO

  • ANALISIS PRELIMINAR

    ESTADO LIMITE NIVEL SISMICO

    SERVICIO ULTIMOIDIserDMser=0Pfser

    IDIsafDMsafPfsaf

    PERFOMANCESELECCIONADA�

    FRECUENTESBAJA INTENS.

    TR1 TR2

    �FORMA ELEGIDADEL 1� MODO �1

    • AMORT. (servicio)• TORSION ELASTICA• DESVIACION DE LA 1� FORMA MODAL

    • AMORT. (último)• TORSION INELASTICA• CONCENTRACION DE ROTACION PLASTICA

    IDI < IDIser

    Sd ser

    IDI < IDIsaf

    Sd saf

    Tmax

    Sd saf

    Sd serµ=1

    µ TR2

    TR1�IDI ADMISIBLE REGION DE DISEÑO

    � µmaxTmax

    TR2

    TR1

    µ=1 µ=µmax

    • DMsa f• IDImax• CONCENTRACION DE ROTACION PLASTICA• CAPACIDA D DE ROTACION PLASTICA MONOTONICA• COMPORTAMIENTO HISTERETICO LOCAL (Energía disipada)• DURACION (Demanda de Energía)

    TR2

    • DMser=0

    Fig. 3.2 Diagrama de flujo del Análisis Preliminar

    EXCEPCIONALGRAN INTENS.

    DAÑO ADMISIB. REGION DE DISEÑO

    �1

    DIMENSIONAMIENTO Y DETALLADO PRELIMINAR

    T1SELECCIONADA 1R FORMA MODAL

    kTi

    b, d, EcDIMENSIONARVIGAS YCOLUMNAS

    ESTIMAR INER CIAS EFECTIVAS

    ESTIMAR LASRIGIDECES ki

    OBTENER LAS RIGIDECESNECESARIAS kTi �

    ki � kTi

    PROBLEMA DE AUTOVALORESK ���� = �2 M ����

    NO

    SI

    PISOi=1 to n

    PERIODO DEL 1R MODO

    T1,T2,T3 �1,�2, �3

    T1T2T3

    µ

    T1T2T

    3

    Sa

    AMOR T. (servicio)

    SELEC CIONADO µAMOR T. (último)

    EFECTO D E PISOS MULTIPLESTORSION ELASTICASOBRERR ESISTENCIA (servic io)

    EFECTO D E PISOS MULTIPLESTORSION INELASTICASOBRERR ESISTENCIA (úl tim o)

    FUERZAS DEDISEÑO SERVICIO

    FUERZAS DEDISEÑO ULTIMO� �

    ANALISIS ELASTICO

    RESTRICCIONES DE SERVICIO RESTRICCIONES DE EQUILIBRIO

    DISEÑO OPTIMO DE ARMADURADE LAS VIGAS

    DISEÑO POR CAPACIDAD DELAS COLUMNAS Y ARMADURASDE CORTE

    RESTRICCIONES PRACTICAS

    ANALISIS PLASTICO

    DISEÑOPRELIMINARDE RIGIDEZ

    PISOi=1 to n

    Fig. 4.1 Diagrama de flujo del dimensionamiento y detallado preliminar

    ANALISISPRELIMINARPARTE II

    DISEÑOPRELIMINARPOR RESIST

    76

    METODOLOGÍA DE DISEÑO COMPRENSIVA

  • 0.00

    0.40

    0.80

    1.20

    0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.00.000

    0.005

    0.010

    0.015

    0.020

    0.00

    0.40

    0.80

    1.20

    0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

    DISEÑO COMPRENSIVO PARA INGENIERÍA BASADA EN LA PERFORMANCE

    T (s)

    T (s)

    DM

    IDICy

    Servicio: TR=20 years, ξ= 2%, µ=1.0

    Seguridad: TR=500 years, ξ= 5%, µ=3.0

    µ = 3.0

    µ = 2.0

    µ = 1.5

    ξ= 5 %

    IDIsaf

    DMsaf

    IDIser

    Período máximo para satisfacer los objetivos de servicio y seguridad

    T1

    Máxima ductilidad para controlar daños

    Diseño comprensivo: Selección probabilística explícita de la mínima rigidez y resistencia para controlar los daños estructurales y no-estructurales para intensidades sísmicas múltiples

    IDI TH

    S Td i i( , , ) ( , , )µ ξ µ ξ β β= ∑2 2

    1 2

  • • La mayor parte de otras metodologías propuestas han sacrificado algún concepto importante por razones de “simplicidad”. Hoy en día un procedimiento numérico no es más simple porque una ecuación tiene menos términos o algún concepto es ignorado. Un procedimiento numérico es más simple cuando es fácilmente comprendido, cuando el diseñador puede ir desde los objetivos de performance hasta los valores de diseño en una forma explícita y transparente.

    • La metodología de diseño comprensiva desarrollada implica un procedimiento de diseño, basado en intensidades sísmicas múltiples, que considera explícitamente desde el comienzo los objetivos de performance en términos de desplazamientos, resistencia, disipación de energía, y daño para los elementos estructurales, no estructurales y contenidos.

    APLICACIÓN DE LA METODOLOGÍA DE DISEÑO COMPRENSIVA PARA EL DISEÑO BASADO EN LA PERFORMANCE

  • Metodología de Diseño Comprensiva

    • Directamente aplicable a instalaciones especiales

    • Para instalaciones comunes,

    Simplificación = Límites

    • La metodología comprensiva es la base para el establecimientos de esos límites y simplificaciones

  • Ingeniería basada en la Performance

  • Diseño Conceptual

    • Eliminar masas innecesarias• Simetría y regularidad en planta y en altura• Distribución uniforme y continua de masa, rigidez,

    resistencia y ductilidad

  • Eliminar masas innecesarias

  • Eliminar masas innecesarias

  • Eliminar masas innecesarias

  • Simetría y regularidad en planta y en altura

  • Simetría y regularidad en planta y en altura

    Sismo de Guatemala de 1976

  • Simetría y regularidad en planta y en altura

    Falla por corte de las columnas del 2°piso donde se interrumpían las paredes para tener vista.

  • Simetría y regularidad en planta y en altura

    Notar el IDI hacia la derecha debido al desplazamiento torsional de la parte superior del edificio.

  • Distribución uniforme y continua de masa, rigidez, resistencia y ductilidad

    Olive View Hospital, San Fernando, 1971

  • Distribución uniforme y continua de masa, rigidez, resistencia y ductilidad

    Imperial Valley, 1979. Piso blando.

  • Distribución uniforme y continua de masa, rigidez, resistencia y ductilidad

  • Distribución uniforme y continua de masa, rigidez, resistencia y ductilidad

  • Distribución uniforme y continua de masa, rigidez, resistencia y ductilidad

  • Distribución uniforme y continua de masa, rigidez, resistencia y ductilidad

    Managua, 1972. Columna corta.

  • Efectos torsionales

    Managua, 1972. Banco Central de Nicaragua y Bank of America

  • Efectos torsionales

    Managua, 1972. Bank of America

  • Efectos torsionales

    Managua, 1972. Bank of America

  • Efectos torsionales

    Managua, 1972. Banco Central de Nicaragua

  • Efectos torsionales

    Managua, 1972. Banco Central de Nicaragua

  • Metodología de Diseño Comprensiva

    • Directamente aplicable a instalaciones especiales

    • Para instalaciones comunes,

    Simplificación = Límites

    • La metodología comprensiva es la base para el establecimientos de esos límites y simplificaciones

  • Ingeniería basada en la Performance

  • DISEÑO SÍSMICO BASADO EN LA PERFORMANCE – METODOLOGÍA COMPRENSIVA

    EJEMPLO DE APLICACIÓN

  • DISEÑO COMPRENSIVO DE UN EDIFICIO DE DIEZ PISOS EN SAN JUAN

  • DISEÑO COMPRENSIVO DE UN EDIFICIO DE DIEZ PISOS EN SAN JUAN

    DATOS:• 1. Función del edificio (edificio de diez pisos destinado a oficinas)• 2. Ubicación: Ciudad de San Juan (Pva. de San Juan, Argentina)• 3. Características del sitio [40m de depósitos del cono aluvial de valle

    del Tulum, período característico del terreno Tg=0.60s (σTg=0.2s)• 4. Configuración general y lay-out estructural

    SE PIDE:• Un diseño sismo-resistente eficiente (óptimo) del edificio.

  • Ingeniería basada en la Performance

  • Diseño Numérico

  • Establecimiento de los sismos de diseño

    • Estimación de la aceleración máxima en roca para distintos períodos de recurrencia

    • Influencia del perfil de suelo• Espectros de diseño lineales y no lineales de fuerzas

    y desplazamientos para distintos períodos de recurrencia

  • Estimación de la Aceleración Máxima en Roca

  • Influencia del perfil de suelo sobre la aceleración en la base del edificio

  • Influencia del perfil de suelo sobre la aceleración en la base del edificio

    h 1h m

    h (m

    +1)

    ROCA

    1u

    mu

    1mu +

    Nu

    1z

    mz

    1mz +

    Nz

    1 1G ξ

    m mG ξ

    1 1m mG ξ+ +

    N NG ξ

    0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

    1

    0.6

    0.2

    0.2

    0.6

    1

    0.642

    0.785−

    u''gi

    g

    48.1750 ti

    0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

    1

    0.6

    0.2

    0.2

    0.6

    1

    1.0

    1.0−

    u''i 1,

    g

    48.1750 ti

  • Espectro de respuesta

    0 0.5 1 1.5 2 2.5 30

    1

    2

    3

    4

    3.306

    0.101

    S.ak

    g

    S.Ak

    g

    30 T k

    s

    h 1h m

    h (m

    +1)

    ROCA

    1u

    mu

    1mu +

    Nu

    1z

    mz

    1mz +

    Nz

    1 1G ξ

    m mG ξ

    1 1m mG ξ+ +

    N NG ξ

  • Espectros de diseño de desplazamientos y fuerzas

    (c) STRENGTH DESIGN SPECTRA

    0

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1

    1.2

    1.4

    0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

    T (sec)

    Cs 2µ =

    1µ =

    3µ =4µ =

    6µ =

    SERVICE

    SAFETY

    (a) DISPLACEMENT DESIGN SPECTRA

    0.0

    0.1

    0.2

    0.3

    0.4

    0.5

    0.6

    0.7

    0.8

    0.9

    0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

    T (sec)

    Sd

    (m)

    2µ =

    1µ =

    3µ =4µ =

    6µ =

    SERVICE

    SAFETY

    u tg( )

    v(t)u(t)

    m

    k/2 k/2

    tɺɺ ( )u tg

    ɺɺ ɺ ɺɺv v ug

    + + = −2 2ξ ω ω

    v S Tdmax ( , )= ξ

    22

    ( ) ( )a d

    S T S TT

    π =

  • Análisis Preliminar

    DATOS:– función de la estructura;– sistema estructural, materiales estructurales y componentes no

    estructurales;– acciones gravitatorias, viento, nieve y otras posibles cargas y

    acciones;– espectros de diseño para movimientos sísmicos menores de

    ocurrencia frecuente y para eventos de gran magnitud de ocurrencia excepcional.

    SE PIDE:– definir los criterios de diseño, los objetivos de perfomance sísmica,

    y la mínima rigidez (o máximo período T) y mínima resistencia del sistema de un grado de libertad para satisfacer dichos objetivos.

  • Determinación de los Objetivos de Performance

  • Análisis Preliminar

    Determinar el período máximo y la ductilidad máxima que permita satisfacer los objetivos de performance

  • Análisis Preliminar

    • Análisis de las acciones gravitatorias, viento, nieve y otras posibles cargas y acciones

    Minimizar todas las masas.

    Cuidadoso diseño de las losas.

  • Selección de la forma del primer modo de vibración

    1 1

    1

    for linear first mode sin for uniform shear beam2

    1 cos for uniform flexural beam2

    i ii i

    ii

    z z

    H H

    z

    H

    π

    π

    Φ = Φ =

    Φ ≅ −

    1 1T T

    MΓ = =1 1 1Φ M r Φ MΦ

    [ ]1 1T =r ⋯

  • Estimación del máximo período para satisfacer el Estado Límite de Servicio

    11max 0 1 1 1

    1 max

    ( , )i d ser ser seri

    IDI S T IDI TM h

    β β ξ ∆ΦΓ

    = ≤ ⇒

    1 1MΓ =1.44; β0= 1.05; β1= 1.50;

    ( )maxi i1

    h∆Φ = 1/H,

  • Incremento de la distorsión de entrepiso debido a la torsión elástica

    Maximum displacement ratio between two and one DOFS (hyperbolic spectrum,

    rectangular plant L=2 D)

    ( )2y y gT T K K rθ θ θα = =e = 0.05 L = 2.88 m

    e / r = 0.16

  • Estimación del máximo período para satisfacer el Estado Límite de Servicio

    1 0.90secserT =

  • Estimación del máximo período y la máxima ductilidad para satisfacer el Estado Límite Ultimo

    11max 2 3 1

    1 max

    ( , , )i d saf safi

    IDI S T IDIM h

    β β ξ µ ∆ΦΓ

    = ≤

    β2= 1.2; β3= 1.0; 1 1MΓ =1.44

    ( )maxi i1

    h∆Φ = 1/H,

  • Torsión Inelástica

    Condición para la formación de un mecanismo torsional.

  • Torsión inelástica

    β3= 1.0;

    El mecanismo de colapso es traslacional

  • Daño local

    2 22 3 2 3L

    umon umonumon umon

    IDI IDIIDI IDI

    IDI IDIDM b b

    IDI IDIIDIIDI

    µ µγ µ β β γ µ β β

    θθµ µ

    − −

    = + = + − −

    El daño local puede ser regulado por el diseñador con el detallado estructural (armadura de confinamiento) cambiando los parámetros b y la capacidad de rotación plástica monotónica.

  • Estimación de la mínima resistencia requerida para satisfacer los Estados límites de servicio y último

    0.015saf saf

    IDIθ = =

    ; 0.04u mon

    θ =

    β2 = 1.2; DMLsaf = 0.8; b = 0.20

    1 0.90secT =

    3.5µ =

  • Dimensionamiento Preliminar

    DATOS:– acciones gravitatorias, viento, nieve y otras posibles cargas o

    excitaciones;– resistencia y rigidez mínimas del sistema de un grado de libertad

    equivalente requeridas para satisfacer la performance sísmica seleccionada;

    – combinaciones de carga críticas; y– características mecánicas de los materiales estructurales y no-

    estructurales;

    SE PIDE:– Dimensionamiento preliminar de los elementos estructurales

    [dimensiones de las vigas y columnas así como definición de sus armaduras principales (en el caso de pórticos)], y de los elementos no-intencionalmente estructurales (llamados usualmente componentes no-estructurales), que puedan afectar el comportamiento sísmico de la estructura.

  • Dimensionamiento Preliminar

  • Dimensionamiento preliminar por rigidez

    n i i+1 i

    n n-1 i i-1 i i-1

    1 1 1 12 2n n i i i+11 1

    1 1 1 1 1 1

    - = , = + for i = n - 1 1k m k m k

    - - - ω ω

    Φ Φ Φ Φ

    Φ Φ Φ Φ Φ Φ…

    1. Determinar la rigidez de los entrepisos para satisfacer el período y la forma del primer modo seleccionados

    2. Determinar las dimensiones de las vigas y columnas para satisfacer la rigidez de los entrepisos

    c c cc ci i3 2

    c b cbi i i

    12 L hN NE I I = , = k

    1+ NL I Lψ

    ψ

    Una vez seleccionadas las dimensiones de vigas y columnas, es posible determinar la matriz de masa y la matriz de rigidez y calcular los períodos y modos de vibración de la estructura.

  • Rigidez requerida y provista en cada entrepiso

  • Dimensionamiento preliminar por rigidez

  • Determinación de las Fuerzas de diseño sísmicas

  • Fuerzas de diseño sísmicas

    23 2iai ser

    ii=1

    ( , )S TV = W

    M gM

    ξ Γ

    1. Fuerzas para satisfacer el estado límite de servicio

    1st yield 1st yieldser

    serser

    V V = = V

    1 + OVS Ω

    2. Fuerzas para satisfacer el estado límite ultimo

    ,2

    3 2is safi

    mechii=1

    C ( , )TV = W

    M M

    µξ Γ

    mech mechsaf

    safsaf

    V V = = V

    1 + OVS Ω

    k

    jjk ser1j

    k = S S

    k

    jjk saf4

    j

    V = S S

    jk jk j(k+1) = - S SF

  • Dimensionamiento y Detallado preliminar por resistencia – Armadura principal de vigas

    4

    21+ -

    i i 1

    i i i+1+ -i i i i+1

    2j i i+1ik+ -ik i+1i i

    k=1

    1 l+ wM M

    2 4

    +1 h h h+ + SM M F

    r 2 2

    h +hl h1+ + + j = 1 , , rw SM M F

    2r + j 2

    ≥ ∑

    + -+ -i ii iser ser and M MM M≥ ≥

    Por conveniencia se puede elegir armadura continua igual arriba y abajo.

  • Dimensionamiento y Detallado preliminar por resistencia – Esfuerzos de corte en vigas

    + -i i

    i i b

    +M ML= + V w

    2 LΩ

    DISEÑO POR CAPACIDAD: Para asegurar el comportamiento dúctil de la estructura es necesario evitar la falla por corte.

    Los esfuerzos de corte se deben calcular del equilibrio con los momentos reales en las rótulas plásticas potenciales.

  • Dimensionamiento y Detallado preliminar por resistencia – Momento de diseño en columnas

    ci c cT B - + - Bi i i AAei ei e(i+1)

    Ai

    h hL= = + ( + )+ W -M M M M M L M

    2 4h L

  • Carga axial de diseño en las columnas

    + -n nkk

    i k bAk=i k=i

    +M M= w P

    L± Ω∑ ∑

  • Esfuerzo de corte en las columnas

    2

    2

    - +n n

    n bn

    - +i i i+1

    i i+1bi i

    +M MStory n : = V

    h

    + hM M Story i : = - V V

    h h

  • Armadura principal de vigas y esfuerzos de corte

  • Esfuerzos de diseño y armadura principal de columnas exteriores

  • Esfuerzos de diseño y armadura principal de columnas interiores

  • Razones del patrón de momentos de diseño en zig-zag de las columnas

  • Diseño preliminar de las armaduras principales

  • Análisis del diseño preliminar

    • Análisis dinámico elástico lineal– Análisis 3-D espectral para el espectro de servicio– Análisis 3-D time-history para el EQGM crítico PGA=0.08g

    • Análisis estático no-lineal– Análisis 2-D “push-over” para las fuerzas sísmicas últimas

    • Análisis dinámico no-lineal– Análisis 2-D time-history para el EQGM crítico PGA=0.40g

  • Modelado estructural - Propiedades reales de los materiales y componentes estructurales

  • Momento de inercia efectivo de vigas

    La rigidez efectiva de las vigas depende de la cuantía de armadura

  • Determinación de la capacidad de rotación plástica de vigas y columnas (depende del confinamiento)

  • Formas y modos de vibración

  • Análisis 3-D espectral para el espectro de servicio

  • Análisis 3-D espectral para el espectro de servicio

  • Análisis 3-D espectral para el espectro de servicio

  • Análisis 3-D time-history para el EQGM crítico PGA=0.08g

  • Análisis 2-D “push-over” para las fuerzas sísmicas últimas

  • Análisis 2-D “push-over” para las fuerzas sísmicas últimas

  • Análisis 2-D “push-over” para las fuerzas sísmicas últimas

  • Análisis 2-D “push-over” para las fuerzas sísmicas últimas

    n n

    i iiF

    i=1 i=1

    x = xF F ∑ ∑

    1 cn N

    + - ci imech b k

    F all frames i=1 k=1

    = ( + ) +V NM M Mx

    ∑ ∑ ∑

  • Análisis 2-D time-history para el EQGM crítico PGA=0.40g

  • Análisis 2-D time-history para el EQGM crítico PGA=0.40g

  • Análisis 2-D time-history para el EQGM crítico PGA=0.40g

  • Análisis 2-D time-history para el EQGM crítico PGA=0.40g

  • Respuesta de un sistema de 1GL equivalente para seleccionar los sismos de análisis

  • CONCLUSIONES - Requisitos necesarios de una metodología de diseño basada en la performance

    • Utilizar desde el principio del diseño preliminar niveles de diseño múltiple

    • Considerar un enfoque de diseño probabilístico

    • Considerar los daños locales tanto estructurales como no estructurales

    • Considerar la acumulación de daño

    • Controlar no solamente los desplazamientos sino también las ductilidades (resistencias mínimas) a los efectos de limitar el daño

    • Los procedimientos numéricos simplificados que se utilicen para el diseño sísmico preliminar basado en la performance deberían ser conceptualmente claros y confiables.

  • RECOMENDACIONES PARA EL DISEÑO

    • El diseño preliminar debería basarse en la consideración de al menos dos niveles de performance

    sísmica. Esto resulta particularmente importante cuando el dimensionamiento tiende a ser definido

    por las condiciones en servicio (por ejemplo, en el caso de edificios altos sobre suelo blando.)

    • En el proceso de diseño deberían ser considerados primero los límites sobre los desplazamientos de

    la estructura (es decir, obtener primero el máximo período del edificio que permite mantener en

    niveles aceptables los daños estructurales y no-estructurales durante la respuesta sísmica.)

    • Es recomendable la utilización del cálculo plástico dado que el mismo permite diseñar los elementos

    estructurales para los estados límites últimos y de servicio simultáneamente con gran facilidad.

    • Las columnas de esquina, especialmente en el caso de los edificios altos, pueden resultar críticas

    para el diseño debido al elevado valor de los esfuerzos axiales impuestos por la fluencia simultánea

    a lo largo de la altura del edificio de las vigas correspondientes a los pórticos exteriores con dicha

    columna como extremo. Para lograr menores esfuerzos axiales sobre estas columnas, puede

    resultar útil reducir la rigidez y resistencia de las vigas de los pórticos exteriores. Sin embargo, esto

    último debe ser cuidadosamente realizado de tal modo que la rigidez y resistencia torsional de la

    estructura no se vea reducida excesivamente.

  • RECOMENDACIONES PARA EL DISEÑO

    • La selección de la armadura superior de las vigas debería realizarse teniendo en cuenta la

    contribución de la armadura de las losas. Esto es particularmente importante en los pisos

    superiores, donde la contribución de la armadura de las losas a la resistencia de las vigas

    puede ser muy importante.

    • Un análisis integral y conceptual del diseño preliminar es enfáticamente recomendado debido a

    la enorme influencia que sobre el nivel de demanda sísmica tienen la rigidez y la resistencia

    efectivamente suministradas a la estructura.

    • La rigidez efectiva de los elementos estructurales Ieff, calculada considerando las propiedades

    reales de la sección (especialmente la cuantía real) debería ser utilizada para desarrollar los

    análisis del diseño preliminar. Los resultados que se obtienen simplemente disminuyendo la

    rigidez bruta Ig por un factor, pueden resultar alejados de la realidad debido a que este

    procedimiento no permite obtener la correcta correlación existente entre resistencia y rigidez de

    los elementos estructurales de hormigón armado.

  • DISEÑO SÍSMICO BASADO EN LA PERFORMANCE

    FIN DE LA PRESENTACIÓN