Perfil modelo d diseño estatico sismorresistente de edifaciones bajas d hormigon armado
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ESCUELA MILITAR DE INGENIERÍA “Mcal. Antonio José de Sucre” DEPARTAMENTO DE POSTGRADO MAESTRÍA EN INGENIERÍA ESTRUCTURAL II Perfil de Tesis DISEÑO ESTÁTICO SISMORRESISTENTE PARA ESTRUCTURAS BAJAS DE HORMIGÓN ARMADO Maestrante: ING. RONALD D. SENZANO ARZE i
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ESCUELA MILITAR DE INGENIERÍA
“Mcal. Antonio José de Sucre”
DEPARTAMENTO DE POSTGRADO
MAESTRÍA EN INGENIERÍA ESTRUCTURAL II
Perfil de Tesis
DISEÑO ESTÁTICO SISMORRESISTENTE PARA
ESTRUCTURAS BAJAS DE HORMIGÓN
ARMADO
Maestrante: ING. RONALD D. SENZANO ARZE
Noviembre, 2010
Cochabamba- Bolivia
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ÍNDICE
1. ANTECEDENTES.................................................................................................32. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA...................................................................42.1. Identificación del Problema............................................................................42.2. Formulación del Problema...............................................................................42.3. Objeto de estudio............................................................................................52.4. Análisis Causa Efecto......................................................................................53. JUSTIFICACIÓN...................................................................................................63.1. JUSTIFICACIÓN CIENTÍFICA........................................................................63.2. Justificación Técnica.......................................................................................63.3. Justificación Social..........................................................................................74. OBJETIVOS..........................................................................................................74.1. Objetivo general..............................................................................................74.2. Objetivos específicos.......................................................................................85. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA............................................................................85.1 Edificaciones bajas..........................................................................................85.2 Zonas críticas de falla…………………………………………………………….. 95.3 Requerimientos de diseño sísmico…………………………………………….… 95.4 Desplazamientos laterales....………………….……………………………….….96. HIPÓTESIS...........................................................................................................97. VARIABLES........................................................................................................107.1. Variable dependiente.....................................................................................107.2 Variable independiente..................................................................................108. OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES.........................................................119. ALCANCE...........................................................................................................119.1. ALCANCE TEMÁTICO..................................................................................1110. MATRIZ DE CONSISTENCIA...........................................................................1211. DISEÑO METODOLÓGICO.............................................................................1311.1. Tipo de investigación.....................................................................................1311.2. Métodos de Investigación..............................................................................1311.2.1. Método analítico descriptivo................................................................1311.2.2. Método lógico......................................................................................1311.2.3. Método Comparativo...........................................................................1311.3. Técnicas e instrumentos................................................................................1411.3.1. Técnicas para la investigación.............................................................1411.3.2. Instrumentos para la investigación......................................................1411.4. Procesamiento de la información..................................................................1412. TEMARIO TENTATIVO (TESIS).......................................................................1513. CRONOGRAMA DE TRABAJO........................................................................1514. BIBLIOGRAFÍA.................................................................................................16
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1. ANTECEDENTES
Dentro del estudio del tema de sismicidad, determinación de mapa sísmico, riesgo
sísmico, evaluación estructural de edificios ante eventos sísmicos, o simplemente la
utilización de nuevos métodos de diseño de elementos estructurales como el método
de bielas y tirantes, etc., existen algunas investigaciones que se pueden mencionar,
como por ejemplo la misma Norma Boliviana de Diseño Sísmico por el Ing. Msc.
Rolando Grandi Gómez, o también del Ing. Msc. Daniel Verastegui que tiene como
base los acontecimientos del terremoto en Totora y Aiquile en Mayo de 1.998, o la
tesis maestrante del Ing. Msc. Javier Caballero, incluso alguna tesis doctoral
realizada en la UPC de España por la Ing. Ph.D. Rosangel Moreno que estudió el
riesgo sísmico de los edificios en Barcelona según el tipo de método constructivo
utilizado. También se puede mencionar las tesis de licenciatura realizadas en la
Universidad de las Américas Puebla en México una de ellas del Ing. Carlos Murillo
Jiménez titulada “Análisis de las causas que dieron origen a los daños estructurales,
en las edificaciones del Estado de Puebla, provocados por el sismo del 15 de junio
de 1999”, otra tesis también dentro de la línea de análisis estructural y de las causas
y mejoras para la antisísmica titulada “Análisis comparativo del comportamiento
sísmico de edificios reticulares rigidizados, no rigidizados y con piso débil” realizada
por el Ing. Héctor Hernández Landero de la Universidad de las Américas Puebla de
México.
Pero, precisamente la inquietud de realizar esta investigación nace debido al penoso
evento para nuestro departamento en el año de 1.998 que ha generado una duda o
incertidumbre sobre el comportamiento estructural de los edificios de cualquier altura
en nuestra ciudad. Aunque debe indicarse que aún no se conoce a fondo más
antecedentes en relación a la investigación propuesta se espera que a medida que el
trabajo se lleve a cabo se encontraran los antecedentes necesarios.
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2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Las edificaciones, independientemente de su función, deben responder
satisfactoriamente a las solicitaciones a las que sean sometidas durante su vida útil.
El grado de seguridad que ofrecen las estructuras se establece en el proceso de su
diseño y dimensionamiento, y cuál es la respuesta estructural de la misma. El
procedimiento de análisis y diseño deberá considerar una variedad de probabilidades
de ocurrencia de cargas, fuerzas y acciones de acuerdo a lo establecido en las
normas vigentes y aprobadas relacionadas con el diseño, el dimensionamiento y la
construcción del Hormigón Armado.
2.1. IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA
El Departamento de Cochabamba es denominado como una zona de riesgo sísmico
moderado o intermedio, pero es común realizar el diseño y dimensionamiento de
edificaciones denominadas bajas sin considerar el riesgo sísmico, y simplemente se
enfoca el diseño en un análisis estático de cargas, ya sean estas permanentes
(carga muerta) y temporales o recurrentes (carga viva o de viento).
El Diseño Estructural de edificaciones es un proceso que sigue una serie de
Disposiciones establecidas por Normas y Reglamentos aprobados para este
propósito. Ciertas disposiciones sobre acciones sísmicas no están profundizadas en
nuestro medio lo que crea una incertidumbre en las estructuras sin diseño sísmico.
Sin embargo, desde el año 2006 Bolivia cuenta con la Norma NBDS-2006 (Norma
Boliviana de Diseño Sísmico), la que identifica las zonas de riesgo sísmico en el país,
y determina las disposiciones que se deben cumplir en estos lugares en el marco del
diseño y calculo estructural.
2.2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
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La incertidumbre que se deriva de la falta de Reglamentación se basa en la
probabilidad de falla estructural de una edificación baja, porque son en este tipo de
estructuras en las que se desatiende el análisis dinámico sísmico llegando al punto
en el que se hace despreciable, es decir, innecesario para un diseño seguro y
confiable.
2.3. OBJETO DE ESTUDIO
Se ha identificado que el objeto de estudio a tratar en esta investigación es el
comportamiento estructural de edificaciones bajas sometidas a efectos de sismo
debido a la incertidumbre creada por la falta de diseño para soportar estas acciones
dinámicas.
Se trata de determinar dentro este marco cuanta mejoría se puede lograr en este
comportamiento estructural cuando se aplican los requerimientos de diseño sísmico
en ciertos puntos clave de la estructura baja (puntos críticos o de posible falla).
2.4. ANÁLISIS CAUSA EFECTO
CAUSAS:
Posible falla estructural por la falta de diseño sísmico en la estructura.
Falta de control y regulación del diseño estructural que cumpla con las
requerimientos establecidos por Norma.
El Diseño dinámico es más complejo que el diseño estático.
EFECTOS:
La incertidumbre de la resistencia de la estructura ante cargas de sismo.
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Diseños estructurales incompletos e inseguros de acuerdo a Normas de
diseño.
Asunción que el diseño estático es suficiente para soportar posibles cargas
dinámicas en estructuras bajas.
3. JUSTIFICACIÓN
3.1. JUSTIFICACIÓN CIENTÍFICA
Es necesario utilizar todos los conceptos de una Norma de Diseño para alcanzar el
primer objetivo que se tiene cuando se realiza un cálculo estructural, el cual es de
brindar seguridad por encima de cualquier situación, y así eliminar o al menos
disminuir a la mínima expresión la incertidumbre estructural de cualquier edificación
de hormigón armado.
Sin embargo, el objetivo secundario de un cálculo estructural es la economía que
generalmente puede ser un antagónico de la seguridad, por tal efecto siempre se
trata de llegar a un punto de equilibrio que cumpla con ambos objetivos, no obstante
teniendo la seguridad primero.
3.2. JUSTIFICACIÓN TÉCNICA
Si bien existe la Norma Boliviana para el Diseño Sísmico (NBDS 2006) esta no es
utilizada en edificaciones bajas, porque existe un falso concepto no fundamentado en
ninguna norma o teoría más que en un mito urbano, que estas estructuras bajas no
necesitan diseño sismorresistente debido a su altura total. Es a través de esta
investigación se pretende disminuir la incertidumbre sobre el comportamiento
estructural de las edificaciones bajas llegando a la conclusión que siempre es
necesario y obligatorio la aplicación de los Requerimientos de Diseño Sísmico en
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todas las estructuras sin importar su altura, sino la ubicación dentro de una zona
sísmica.
3.3. JUSTIFICACIÓN SOCIAL
La falta de aplicación de los requerimientos del diseño sísmico en los diseños
estructurales en edificaciones bajas en nuestra ciudad crea una incertidumbre en la
sociedad sobre la seguridad estructural que ofrecen estas edificaciones de hormigón
armado al ser diseñadas sin prever las acciones sísmicas.
Siendo la sociedad el usuario de la edificación (oficinas), el dueño de la edificación
(comercio, oficina, departamento, etc.), el habitante de la edificación (departamentos)
y el financiador del diseño y la construcción de cualquier tipo de edificación tiene todo
el derecho de pedir una situación económica accesible y la obligación de ofrecer
seguridad al mismo tiempo. El proyectista o calculista incurre en una omisión al no
aplicar el diseño sismorresistente, dicha omisión es creada por un conocimiento sin
fundamento teórico. Si bien, un sismo o terremoto es un evento poco frecuente, se
sabe que cuando ocurre puede ser totalmente devastador, lo malo es que no se sabe
cuándo pueden ocurrir, pero siempre será mejor prevenir que lamentar, aunque en
ocasiones eso no es suficiente, pero al menos podremos decir que se hizo lo que se
tenía que hacer pero no fue suficiente.
4. OBJETIVOS
4.1. OBJETIVO GENERAL
Formular un diseño estático estructural para edificaciones bajas que cumplan con los
requerimientos sismorresistentes, los cuales son aplicados a las posibles zonas de
falla, y de esta manera controlar las deformaciones posibles que sufriría la estructura
al ser sometido a un evento sísmico.
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4.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Determinar las estructuras que serán modeladas dinámicamente a fin de
encontrar sus posibles zonas de falla.
Identificar las zonas de falla de las estructuras modeladas y diseñarlas con
las disposiciones especiales del Diseño Sísmico.
Probar los nuevos modelos estructurales con los cambios realizados
utilizando un paquete computacional para tal efecto.
Diferenciar los desplazamientos laterales en la estructura antes y después
del Diseño Sísmico con los resúmenes y tablas elaboradas y establecer el
nuevo rango de seguridad obtenido.
Establecer los cambios y mejoras generados con las modificaciones a las
zonas de falla.
5. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA
5.1 EDIFICACIONES BAJAS
Las estructuras que serán modeladas durante esta investigación cumplen con la
definición que será propuesta para las edificaciones bajas, que en forma resumida se
considera a toda edificación con 6 o menos niveles o pisos, pero no menor a 4
niveles. Estas estructuras son las más frecuentes en nuestra ciudad, en especial en
el centro y las zonas aledañas por definición de urbanismo. Es exclusivamente en
este tipo de edificaciones en el cual se va a centrar la investigación propuesta.
5.2 ZONAS CRÍTICAS DE FALLA
Las zonas críticas de falla son lugares específicos en los elementos estructurales
(viga y columna específicamente) que pueden sufrir daños (rajaduras, agrietamiento,
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pérdida de sección, etc.) que pueden provocar el colapso estructural global de la
estructura. Estas zonas aparecen cuando dichos elementos son sometidos a
soportar cargas de servicio que son mayores a las previstas o porque las cargas en
sí nunca fueron previstas (sismos).
5.3 REQUERIMIENTOS DE DISEÑO SÍSMICO
Las disposiciones especiales del diseño sísmico son aquellos requerimientos de
diseño para vigas y columnas que deben ser tomados en cuenta en el diseño cuando
estos estén actuando en estructuras que se ubiquen en zonas de riesgo sísmico
moderado o alto. Estas disposiciones que se encuentran en cualquier Norma de
Diseño establecen su aplicación únicamente para las estructuras situadas en zonas
de riesgo, sean moderadas a altas, y tomando en cuenta su importancia de
funcionamiento, pero ninguna de los reglamentos estudiados hace referencia a la
altura o cantidad de niveles que posee dicha estructura para su aplicación en el
diseño.
5.4 DESPLAZAMIENTOS LATERALES
Los desplazamientos laterales estructurales del último nivel o las derivas de
entrepiso nos permiten evaluar el comportamiento estructural de una estructura, es
decir, a mayor desplazamiento mayor probabilidad de colapso de la misma. Tanto las
derivas de entrepiso como el desplazamiento de último nivel tienen rangos de
serviciabilidad y de seguridad estructural definidas en Normas y Reglamentos de
Construcción y Diseño. La comparación de los resultados antes y después de la
evaluación computacional de las estructuras nos brinda información de la mejora
estructural lograda con el diseño propuesto en esta investigación.
6. HIPÓTESIS
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Aplicando las Disposiciones Especiales del Diseño Sísmico en las posibles zonas
críticas de falla se pueden obtener estructuras bajas diseñadas estáticamente que
respondan a un comportamiento estructural sismorresistente y de esta manera
eliminar la incertidumbre sobre este comportamiento estructural ante estos eventos
sísmicos.
7. VARIABLES
7.1. VARIABLE DEPENDIENTE
La variable dependiente se define como la incertidumbre estructural que posee una
edificación baja cuando ha sido diseñada y calculada de manera estática sin tomar
en cuenta el diseño sismorresistente. Cuando una estructura baja sin diseño
sismorresistente es sometido a un evento sísmico aparecen señales en la edificación
que indican que la estructura ha sido comprometida en su integridad estructural
(grietas, rajaduras, etc.). Esto se entiende como las deformaciones que ha sufrido la
estructura en general. Estas deformaciones se miden con los desplazamientos
laterales del último nivel y las derivas de entrepiso.
7.2 VARIABLE INDEPENDIENTE
La variable independiente se define como el diseño estático sismorresistente, que se
entiende comúnmente como la carga de sismo, según el espectro predominante para
Cochabamba. Utilizando el simulador computacional, a cada estructura determinada
para la simulación, podrá ser aplicada el espectro de diseño variando la dirección de
aplicación de la misma. Como resultado de la modelación surgen las solicitaciones
de cargas y esfuerzos de diseño para los diferentes elementos estructurales (viga y
columna específicamente).
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8. OPERACIONALIZACION DE VARIABLES
Tabla 1. Operacionalización de variables
VARIABLE DIMENSIÓN INDICADOR
DEPENDIENTE
Incertidumbre estructural
Grietas en vigas y
columnas
Rajaduras en vigas
Perdida de sección de
hormigón en columnas
Desplazamiento lateral de
último nivel, derivas de
entrepiso
Deflexión excesiva en vigas
Aplastamiento de columnas
INDEPENDIENTE
Diseño estático
sismorresistente
Esfuerzos de corte y
torsión
Esfuerzos de flexión
Esfuerzos axiales
Fuerza cortante
Momento flector
Fuerza axial
Fuente: Elaboración propia
9. ALCANCE
9.1. ALCANCE TEMÁTICO
Área de investigación
El área general de estudio es el diseño estructural sísmico de estructuras de
hormigón armado, y de los requerimientos especiales para este propósito
enmarcados dentro de las Reglamentos de diseño establecidos por las Normas
NBDS -2006 y el ACI 318-08.
Tema específico
El área específica de la investigación se centra en el diseño sismorresistente en
forma estática de estructuras bajas de hormigón armado, a las que se aplicaran los
requerimientos especiales del diseño sísmico en elementos estructurales claves para
mejorar el comportamiento estructural global de la edificación.
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10. MATRIZ DE CONSISTENCIA
FIGURA 1.1: Matriz de Consistencia
Problema Objetivo Hipótesis
FUENTE: Elaboración Propia
DISEÑO ESTÁTICO SISMORRESISTENTE PARA
ESTRUCTURAS BAJAS DE HORMIGÓN ARMADO
ParaProvoca
El diseño estático estructural para estructuras bajas que cumplan con los requerimientos sismorresistentes.
La aplicación de las disposiciones del diseño sismorresistente a las posibles zonas de falla en las estructuras de las edificaciones bajas.
La incertidumbre con respecto a la probabilidad de falla estructural de una edificación baja.
La obtención de
estructuras bajas con
diseño estático
sismorresistente
eliminando la
incertidumbre estructural.
Controlar las deformaciones provocadas por sismos y obtener estructuras seguras.
Disposiciones de Diseño sísmico no aplicado al cálculo estructural de edificaciones bajas
Permitirá
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11. DISEÑO METODOLÓGICO
11.1. TIPO DE INVESTIGACIÓN
El tipo de investigación será exploratoria y comparativa, porque primero se tratará de
explicar el comportamiento estructural de edificaciones bajas cuando son sometidas
a efectos de cargas dinámicas de sismo para determinar las posibles zonas de falla
en estructuras regulares, segundo se hará una comparación de los cambios
estructurales logrados entre estructuras diseñadas mediante el método de diseño
estático tradicional y el método de diseño estático sismorresistente que se
propondrá.
11.2. MÉTODOS DE INVESTIGACIÓN
11.2.1. Método analítico descriptivo, mediante el cual se analizará la información
encontrada. Se estudiará a fondo la Norma Boliviana del Diseño Sísmico y las
Normas Estadounidenses (ACI 318-08, ASCE-07) para determinar los requerimientos
necesarios para alcanzar un diseño sismorresistente. También de la misma manera
se estudiara el diseño propuesto en base a libros de texto, teorías conocidas para su
aplicación en esta investigación.
11.2.2. Método lógico, se aplicará para determinar un método de modelación con
simulador computacional. Es de esta manera que se llegará del diseño y calculo en
papel (por decirlo de una manera) a la modelación computacional que nos permitirá
observar, medir, y concluir cuales, como y cuanta mejora se ha logrado con la
aplicación de las disposiciones del diseño sismorresistente en las zonas de falla.
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11.2.3. Método Comparativo, que básicamente se utilizará para comparar la
situación actual de las estructuras escogidas contra estas mismas estructuras
acomodadas y aplicadas con las disposiciones del diseño sismorresistente
modeladas en un paquete computacional, para que de los resultados obtenidos con
el software utilizado se puede conferir las mejoras logradas en los indicadores de las
diferentes variables mencionadas anteriormente.
11.3. TÉCNICAS E INSTRUMENTOS.
11.3.1. Técnicas para la investigación
De toda la bibliografía acumulada y de interés directo al tema de investigación se
obtendrá información adecuada, coherente y necesaria para indicar e identificar
conceptos bases para la investigación.
La aplicación de estos conceptos bien definidos y basados en teoría existentes
incidirá directamente en la aplicación práctica o experimental de la simulación
estructural de los modelos determinados para esta investigación.
11.3.2. Instrumentos para la investigación
La revisión bibliográfica y acumulación de información de la misma es clave para el
inicio de esta investigación.
El otro instrumento clave para la misma es el uso del computador y de software
especializado en la modelación y calculo estructural, que para este caso será el
paquete computacional SAP2000 v.9.0.3.
11.4. PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN
La información acumulada de la revisión bibliográfica se procesará enfocada
principalmente en obtención de conceptos básicos y necesarios para la enmarcación
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teórica y práctica de la investigación, para obtener teorías de apoyo al problema e
hipótesis planteados, y también enfocados a otros conceptos secundarios para la
ampliación del conocimiento general del área de investigación.
12. TEMARIO TENTATIVO (TESIS).
INTRODUCCIÓN1. GENERALIDADES1.1. ANTECEDENTES1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA1.3. OBJETIVOS1.4. JUSTIFICACIÓN1.5. HIPÓTESIS1.6. VARIABLES1.7. OPERACIONALIZACION DE VARIABLES1.8. MATRIZ DE CONSISTENCIA1.9. DISEÑO METODOLÓGICO2. MARCO TEÓRICO2.1. Disposiciones especiales de la norma NBDS-20062.2. Disposiciones especiales de la norma ACI 318-08 y ASCE-072.3. Determinación de las estructuras a ser estudiadas3. MARCO PRACTICO3.1. Modelación dinámica de las estructuras determinadas3.2. Aplicación de las disposiciones sismorresistentes a las estructuras modeladas3.3. Modelación estática de estructuras determinadas con las disposiciones
aplicadas3.4. Comparación de resultados4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES4.1. CONCLUSIONES4.2. RECOMENDACIONESBIBLIOGRAFÍAANEXOS
13. CRONOGRAMA DE TRABAJO
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A continuación se presenta una cronología de las diferentes actividades y los tiempos
en los que se llevaran a cabo.
1º PASO. Recopilación de información pertinente a la investigación y de
bibliografía.
2º PASO. Simulación del modelo estructural tradicional.
3º PASO. Simulación del modelo estructural propuesto.
4º PASO. Análisis y comparación de los resultados obtenidos.
5º PASO. Elaboración de las conclusiones de la investigación.
6º PASO. Elaboración del documento final.
Actividades/Mes mes 1 mes 2 mes 3 mes 4 mes 5 mes 6 mes 7 mes 8
Semanas 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4
Recopilación de
la información
Simulación
tradicional
Simulación
propuesta
Análisis de
resultados
Elaboración
conclusiones
Elaboración del
documento final
14. BIBLIOGRAFÍA
ALAN WILLIAMS, Ph.D., S.E., C.Eng., “Seismic Design of Buildings and
Bridges, based on 1997 UBC”, USA, Texas, Austin, 2º Edición. 1998.
16
AMERICAN CONCRETE INSTITUTE, “Requisitos de Reglamento para
Concreto Estructural (ACI 318S-08) y Comentarios (ACI 318SR-08)”, USA,
Michigan, Farmington Hills, 2008.
ASCE STANDARD 7-05, “Minimum Design Loads for Buildings and Other
Structures”, USA, Virginia, Reston, 2006.
CBH-87, “Norma Boliviana del Hormigón Armado”, Bolivia, La Paz, 1987.
CHOPRA, Anil K., “Dynamics of Structures”, USA, New Jersey 2º Edición.
Upper Saddle River, , 2001.
MACGREGOR, JAMES G., Ph.D., “Reinforced Concrete, Mechanics and
Design”, USA, New Jersey, 4º Edición, Upper Saddle River, 2005.
NORMA BOLIVIANA DE DISEÑO SÍSMICO, “Análisis y Diseño Sismo
Resistente”, Bolivia, Ing. Msc. Rolando Grandi Gómez, 2006.
NOTES ON ACI 318-05 BUILDING CODE REQUIREMENTS FOR
STRUCTURAL CONCRETE WITH DESIGN APPLICATIONS, USA, Skokie,
Illinois, 2005.
PAZ, MARIO, “Dinámica Estructural”, España, 3º Edición, Barcelona, 1992.
WAKABAYASHI, MINORU, “Diseño de Estructuras Sismorresistentes”,
Mexico, Distrito Federal, Naucalpan de Juarez, 1º Edición, 1990.
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