GUÍA DE DISEÑO BASADO EN DESEMPEÑO (Performance–Based Design Guidelines)

Cristian Fernando Espitia Cárdenas*

* Ingeniero Civil. Estudiante especialización en estructuras Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia.

cristian.espitia@uptc.edu.co

Resumen:

Las primeras guías de diseño por desempeño nacieron como criterios de evaluación para estructuras existentes [1], cuyo objetivo era medir la seguridad de las mismas, pero luego, otras consideraciones de gran importancia como el concepto de control de daño y los estados de desempeño, especialmente los referidos al nivel de ocupación inmediata y al nivel operacional post-sismo, empezaron a tomar fuerza.

Los primeros resultados visibles se produjeron con la publicación del Vision 2000, del FEMA 273 y el FEMA 274, luego aparecería el ATC-40. [2] Aunque éstas, diferían en los términos y definiciones específicas, los objetivos de desempeño y el proceso iterativo de diseñar-evaluar era un punto en común.

En la actualidad, una de las directrices más dicientes en el tema es el ASCE 41-13. Ésta se centra en la evaluación y rehabilitación de estructuras existentes, por lo que se hace necesario desarrollar una guía que sirva como una primera pauta para estudiantes y diseñadores que quieran introducirse en el tema.

Abstract:

The first design by performance guidelines were born as evaluation criteria for existing structures [1], which aimed to measure the safety of them, but then, other considerations of great importance such as the concept of damage control and States of performance, especially those related to immediate occupancy level and at the operational level post-seismic began to take hold.

The first visible results occurred with the publication of the Vision 2000, FEMA 273 and the 274 FEMA then the ATC-40 would appear. [2] Although these differed in terms and specific definitions, performance objectives and the process of iterative design - assess was a point in common.

Currently, one of the most important guidelines on the subject is the ASCE 41-13. This focuses on the evaluation and rehabilitation of existing structures, so it is necessary to develop a guide that serves as a first guideline for students and designers who want to get into the subject.

Palabras claves: Desempeño, objetivos de desempeño, control de daño, riesgo sísmico, evaluación de pérdidas.

Keywords: Performance, performance objects, damage control, seismic hazard, losses evaluation.

1. Introducción

El diseño por desempeño se ha venido utilizando en el la concepción de edificaciones de gran altura desde hace aproximadamente treinta años, sin embargo, su difusión en el mundo se ha dado hace apenas algunos años. Algunas organizaciones como la PEER (Pacific Earthquake Engineering Research),1 han desarrollado recientemente documentos que orientan el diseño de edificaciones hacia la metodología del diseño basado en desempeño (Performance Based Design – PBD), que sumado a las iniciativas de países como Estados Unidos y Filipinas que han optado por permitir de manera opcional los análisis no lineales en el diseño de sus estructuras, han propiciado que a nivel global se despierte un gran interés por el tema.

Pero este interés generado ha nacido de eventos sísmicos relativamente recientes, terremotos como el de Loma Prieta (1989) y Northbridge (1994), dejaron en claro que el diseño estructural de la época estaría lejos de lograr cumplir con los objetivos mínimos, esto se debe a que a pesar de proveer diseños capaces de soportar un evento de moderada magnitud, los daños en elementos no estructurales, y las averías en las redes de servicios, hicieron que fuera necesario ver la filosofía del diseño estructural desde otra perspectiva, es allí donde surge la necesidad de reevaluar lo hasta entonces desarrollado y se encomienda al SEAOC (structural Engineerings Association Of California) el desarrollo de un nuevo código, es así como en el año 1995 se publica el Vision 2000, con el objetivo principal de evaluar las estructuras que quedaron afectadas luego de 1994, luego, se da un sin número de publicaciones referentes al tema hasta la actualidad.

La presente publicación se convierte entonces en el fruto de la revisión del diseño por desempeño, con el objetivo de convertirse en un acercamiento preliminar a diseñadores y estudiantes en el diseño basado en desempeño, presentando en esencia lo contenido en el ASCE 41-13.

1 En el año 2010 publica Guidelines for Performance Based Seismic Design of Tall Buildings.

2. Marco Teórico

2.1. Del diseño por desempeño

El diseño por desempeño busca establecer unas metas medibles mediante un control de daño (deformaciones o rotaciones en componentes), de acuerdo a un nivel de amenaza y a la evaluación de unas pérdidas admisibles de orden humano, económico (restauraciones) y de tiempo (downtime). A continuación se presenta el flujograma propuesto por el FEMA 445, definiendo cuatro etapas generales.

Figura 1. Etapas generales del diseño por desempeño

Fuente. (FEMA - Federal Emergency Management Agency, 2013). FEMA 445-06

2.2. Selección de los objetivos de desempeño

Las metas de diseño se deben seleccionar en función de diferentes factores como son:

2.2.1. Nivel de amenaza: Los códigos de diseño basados en resistencia técnicamente también son basados en desempeño, sin embargo, estos consideran únicamente los objetivos básicos de desempeño, donde el criterio más empleado (incluyendo el NSR-10) es utilizar un nivel de seguridad de la vida para un sismo con periodo de retorno de 475 años (10% de probabilidad de excedencia en 50 años).

2.2

2.3

2.4

2.5

Figura 2. Objetivos de desempeño y periodos de recurrencia de los sismos de diseño.

Fuente. (SEAOC - Structural Engineerings Association of California, 1995)

2.2.2. Las pérdidas: En algunos eventos sísmicos se pudo observar que a pesar que las edificaciones tenían la capacidad de soportar sismos moderados y raros sin presentar colapso, los costos que implicaban retornar a la estructura a su nivel pre-sismo eran inconcebibles, fue de esta forma que se propuso que deberían evaluarse tres tipos de pérdidas:

Pérdidas humanas (Causalities).

Pérdidas económicas, Representadas en los costos de restauración de la estructura de manera que se logre retornar a su estado inicial antes del sismo.

Pérdidas por interrupción en la ocupación de la estructura (Downtimes), Concierne al tiempo que habrá que deshabitar la edificación a causa de las reparaciones a que hubiere lugar.

2.2.3. Los niveles de daño:

(Ruíz, Jaramillo, Riveros, & Gallego-Silva, 2012), presentan una relación entre los niveles de daño en términos de deformación y capacidad en términos de fuerza resistente. En esta gráfica se puede observar que niveles de daño más exigentes presentan menores deformaciones, atendiendo deformaciones excesivas redundarán en la reducción de la resistencia y la rigidez de la estructura. Sin embargo, se puede notar que la ductilidad entendida como la capacidad de deformación en el rango plástico, es una propiedad

que permite alcanzar el aseguramiento de algunos niveles, especialmente fuera del rango de daño controlado.

Figura 3. Niveles de desempeño vs desplazamiento global de la edificación.

Fuente. (Ruíz, Jaramillo, Riveros, & Gallego-Silva, 2012)

Definición de los niveles de daño de acuerdo al International Building Code - IBC:

Daño leve (Mild impact): En este nivel la estructura no presenta daños de orden estructural y es segura para ser ocupada. Los sistemas no estructurales necesarios para el uso convencional de la edificación, así como para emergencias son completamente funcionales. Los daños a los elementos contenidos dentro de la edificación son mínimos.

Daño moderado (Moderate impact): Representa un daño estructural reparable, sumado a algunas pérdidas por interrupción en la ocupación. Los componentes no estructurales necesarios para habitar la edificación son completamente funcionales, aunque puede ser necesario algún tipo de limpieza y reparación, los sistemas de emergencia son totalmente funcionales. La probabilidad de pérdidas humanas de manera individual es baja y de pérdidas de manera grupal es muy baja.

Daño alto (High impact): Significativo daño a los elementos estructurales pero sin caída de escombros. Es posible reparar los elementos estructurales dañados, pero las pérdidas por interrupción en la ocupación son considerables. Los elementos no estructurales necesarios para la ocupación normal de la edificación pueden resultar considerablemente dañados o en dados casos irreparables. La probabilidad de pérdidas humanas de manera individual es moderada y de manera grupal es baja.

Daño severo (Severe impact): En este nivel el daño a los elementos estructurales es muy significativo y su reparación no es técnicamente posible, sin embargo, los componentes estructurales aún tienen la capacidad de resistir las cargas gravitacionales. La edificación no es segura para ser reocupada porque es susceptible de colapsar. Las lesiones a los ocupantes puede ser alta con significativa amenaza a la vida. La probabilidad de pérdidas humanas de manera individual es alta y de manera grupal es moderada.

Por su parte, el ASCE 41-13 también sus niveles de desempeño, en donde los niveles de daño contenidos en este código se encuentran enmarcados al igual que los del IBC dentro de cuatro categorías que se nombran como daño severo, daño moderado, daño leve y daño muy leve.

Figura 4. Niveles de desempeño para edificaciones de acuerdo a ASCE 41-13.

Fuente. (ASCE 41-13 American Society of Civil Engineers, 2014)

Una de las ventajas que posee el ASCE 41-13, es la de integral el desempeño de componentes del sistema de resistencia sísmica y componentes no estructurales, esta interacción da lugar a la generación de niveles intermedios a los mostrados en la figura 4.

Tabla 1. Combinaciones de niveles de desempeño sísmico para componentes estructurales y no estructurales.

Fuente. (FEMA - Federal Emergency Management Agency, 2013)

2.3. Diseño preliminar de la edificación

2.3.1. Amenaza sísmica

Puede ser de dos tipos, una de orden probabilístico y otra de orden determinístico, la primera entonces aplica para lugares que por su localización geográfica equidisten relativamente de varias zonas de fallas activas y tengan influencia significativa en cuanto a amenaza se refiere de más de una de estas fallas, para determinar esto los códigos de diseño han realizado análisis de desagregación sísmica, de manera que han clasificado estas amenazas de acuerdo a parámetros de orden global. En este caso puede emplearse un espectro de aceleración de respuesta.

Por su parte la amenaza determinística se debe aplicar para lugares que se localicen a distancias menores a los 10 km de una falla activa y en donde esta regule la sismicidad del lugar, para este caso deberá realizarse un análisis de orden local y no se recomienda la utilización de los espectros propuestos en los códigos porque pueden conllevar en estos casos a clasificar dentro de una amenaza menor. Para este caso, se deberán obtener las señales de aceleración de respuesta. No obstante, de acuerdo a lo presentado por el ASCE 41-13, deberá también hacerse

análisis local para suelos tipo D con aceleraciones iguales o mayores a 0.8g y para todas las condiciones en donde se encuentre suelos tipo F.

2.3.2. Dimensionamiento de la estructura:

Las consideraciones de sistemas estructurales a emplear, materiales y condiciones del entorno deben asociarse de manera inicial a las prescripciones de los reglamentos basados en resistencia, desafortunadamente aún no existen referencias que permitan servir como punto de partida en el predimensionamiento de componentes para estructuras diseñadas por desempeño, la relativamente nueva metodología y la escases de proyectos en nuestro medio a los que se haya aplicado la filosofía de diseño impiden que mediante la experiencia se pueda aventurar a definir recomendaciones de este tipo. Debe considerarse que el procesos del PBD obedece a un proceso iterativo diseñar-evaluar por lo que esta etapa no deberá tomarse a la ligera.

2.4. Evaluación del desempeño

De acuerdo al ASCE 41-13, se permiten emplear cuatro tipos de análisis en la evaluación de las estructuras diseñadas por desempeño, estos tipos de análisis son:

Análisis Lineal Estático (Lineal Static Procedure – LSP)

Análisis Lineal Dinámico (Lineal Dinamic Procedure – LDP)

Análisis No lineal Estático (Nonlineal Stactic Procedure – NSP)

Análisis No lineal Dinámico (Nonlineal Dinamic Procedure – NDP)

Tabla 2. Procedimientos de análisis permitidos por el ASCE 41-13

LINEALES NO LINEALES

ESTÁTICO DINÁMICO ESTÁTICO DINÁMICO

Fuerza horizontal

equivalente

Análisis modal

espectral Pushover

Cronológico espectral (Time history)

LSP LDP NSP NDP

La posibilidad de poder aplicar o no cualquiera de estos procedimientos dependerá del cumplimiento de algunas consideraciones, así por ejemplo el LSP no puede ser aplicado a estructuras de altura considerable. En resumen el método LSP puede ser empleado en estructuras de altura menor y que no presenten irregularidades. El método LDP, se empleará para estructuras irregulares pero con significativa participación poca participación de masa en los primeros modos o cuando se requiera un análisis no lineal. EL NDP se dispondrá cuando sea necesaria una alta precisión y se disponga de los medios para hacerlo, muy pocos proyectos pueden permitirse este procedimiento.

2.5. Criterios de aceptación y verificación de los objetivos

2.5.1. Acciones controladas por fuerza y acciones controladas por deformación

Todas las acciones deben ser clasificadas en una de las siguientes tres categorías:

Figura 5. Curvas de fuerza vs deformación para componentes.

Fuente. (ASCE 41-13 American Society of Civil Engineers, 2014)

Para todas las curvas la trayectoria entre los puntos 0 y 1 describe la zona elástica y los puntos 1 a 3 muestran el rango plástico, el punto 3 representa la pérdida de capacidad de resistencia ante fuerzas sísmicas y el 4 la pérdida de resistencia ante cargas gravitacionales. El rango plástico puede tener una pendiente positiva o negativa después del límite elástico (puntos 1 a 2), así como una zona de reducción de la resistencia pero que aún aporta contra cargas de sismo y de gravedad (puntos 2 a 3).

La curva 1 es típica de acciones controladas por deformación y es representativa de comportamiento dúctil. Las acciones de los componentes primarios se pueden clasificar como controladas por deformación si d ≥ 2g, de lo contrario se clasificarán como controlados por fuerza. Por su parte si los componentes primarios cumplen esta condición, los elementos secundarios serán clasificados como controlados por deformación para cualquier relación entre d/g (deformación elástica / deformación plástica).

La curva 2 es representativa de comportamiento dúctil. Las acciones de los elementos primarios se pueden clasificar como controladas por deformación si e ≥ 2g, de lo

contrario se clasificarán como controlados por fuerza. Por su parte si los componentes primarios cumplen esta condición, los elementos secundarios serán clasificados como controlados por deformación si f ≥ 2g de lo contrario se clasificarán como controlados por fuerza.

La curva 3 es representativa de comportamiento frágil. Las acciones de los elementos primarios se clasifican como controladas por fuerzas si e ≥ 2g, de lo contrario se clasificarán como controlados por fuerza. Los componentes secundarios serán clasificados como controlados por deformación si f ≥ 2g de lo contrario se clasificarán como controlados por fuerza.

NOTA: Un componente dado puede tener una combinación de control por deformación y control por fuerzas

Una vez realizado el análisis se determina el nivel de desempeño de cada componente empleando una curva fuerza – deformación como las que se muestran a continuación:

Figura 6. Curvas fuerza - deformación para componentes o elementos

Fuente. (ASCE 41-13 American Society of Civil Engineers, 2014)

Para algunos componentes es necesario determinar los criterios de aceptación en términos de la deformación medida como θ o ∆, y comparada a través de relaciones de deformación, para esto se pueden utilizar dos tipos de curvas idealizadas.

La primera (ver literal a de la figura anterior), muestra la fuerza normalizada Q/Qy contra la deformación θ o ∆, y los parámetros a, b y c.

La figura b muestra la fuerza normalizada Q/Qy contra la deformación normalizada θ/θy, ∆/∆y o ∆/h, y los parámetros d, e y c.

El criterio de aceptación para deformación o relaciones de deformación para componentes primarios (P) y componentes secundarios (S), corresponderán a los objetivos de desempeño definidos en el numeral 2.2, para esto se deberá consultar entrar para cada uno de los componentes en una curva como la indicada en el literal c de la figura 6. Algunos programas permiten facilitar la evaluación de estructuras mediante análisis por desempeño, sin duda uno de los más destacados es Perform3D®.

3. Discusión

Pese a que el diseño por desempeño no se ha implementado de forma obligatoria en los códigos para edificaciones a nivel mundial, ya se están abriendo ventanas que indican que probablemente la normativa del diseño sismo resistente se enfoque hacia esta nueva metodología. El PBD ya es permitido como método alternativo en Estados Unidos y Filipinas, mientras que en Japón y China es se usa para estructuras altas y de características especiales. Definiendo los primeros pasos hacia el cambio en la filosofía del diseño estructural.

Una vez cumplida la revisión de la bibliografía y del estado del arte a nivel global, se encontró que no existe una guía de diseño para edificaciones de baja altura, uno de los documentos de mayor relevancia es el denominado Guidelines for Performance- Based Seismic Design of Tall Buildings, sin embargo este limita su alcance a edificaciones con periodos mayores o iguales a 1 seg. ¿Se deberá a que para estructuras tan pequeñas, no tienen la importancia requerida para ser analizadas?, ¿tendrá alguna influencia el periodo de vibración de este tipo de edificaciones en el análisis por desempeño? Sin duda se abren nuevos caminos de investigación en cuanto al diseño por desempeño se refiere.

Por otra parte, la norma colombiana ya dispone de algunas facilidades para la aplicación del PBD, por ejemplo en la determinación de las derivas máximas, en donde expresa:

Cuando se haya efectuado un análisis inelástico verificando el desempeño de la totalidad de los elementos estructurales en un rango de desempeño no mayor a “Protección de la Vida” (LS según los requerimientos del ASCE 31 y ASCE 41), las derivas pueden multiplicarse por 0.7 antes de hacer la comparación con los límites dados en la tabla A.6.4-1. (AIS - Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, 2010).

Esta consideración permite que las derivas máximas para una estructura diseñada con las prescripciones del NSR-10, pero que se ha analizado de acuerdo a

principios del diseño por desempeño, puedan ser aumentadas en poco más del 40%, ¿pero qué pasa con el control del daño?, ¿cuál es la importancia de la dualidad rigidez-ductilidad en el diseño por desempeño?

4. Conclusiones y recomendaciones

Dentro de los métodos disponibles para llevar acabo el análisis en un diseño por desempeño, los de tipo no lineal ofrecen mayor precisión, sin embargo, emplear un análisis dinámico no lineal (Time history), requiere de una cantidad adicional de recursos que solo pocos proyectos se pueden permitir, por lo que el análisis estático (Pushover), presenta una de las mejores alternativas para los diseñadores.

El concepto de daño ha logrado definir nuevas consideraciones en el diseño, desde la perspectiva de que este último no solo debe prever la protección de la vida, sino que deberá anticiparse a la reducción de las pérdidas hasta niveles económica y temporalmente admisibles. Desde esta perspectiva será imperativo que en un futuro próximo por lo menos nuestras edificaciones identificadas con grupo de uso IV y catalogadas como indispensables, sean diseñadas por desempeño.

Se recomienda para futuras investigaciones, realizar la evaluación de una estructura que cumpla con los requisitos del diseño por resistencia dados en el NSR-10, verificando su nivel de desempeño real y/o comparando las derivas (aplicando la reducción permitida en A.6.4.1.2 equivalente al 0.7 para cuando se efectúe un análisis inelástico basado en el ASCE 41).

Referencias

AIS - Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica. (2010). Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente NSR-10. Bogotá D.C.

ASCE 41-13 American Society of Civil Engineers. (2014). Seismic Evaluation and Retrofi t of Existing Buildings. Reston, Virginia: ASCE.

ASCE 7-10 American Society of Civil Engineers. (2010). Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures. Reston, Virginia: ASCE.

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