aice nov 2012 rev1 rene lagos

¿Diseño Basado en

Desempeño en Chile?

René Lagos C. - Ingeniero Civil

C.E.O. Rene Lagos Engineers

[email protected]

renelagos engineers

Performance of High-Rise Concrete Buildings in Chile

International Journal of High-Rise Buildings – CTBUH (sep. 2012)

Coautores

Marianne KUPFER,

Jorge LINDENBERG,

Patricio BONELLI,

Rodolfo SARAGONI,

Tomas GUENDELMAN,

Leonardo MASSONE,

Ruben BOROSCHEK,

Fernando YAÑEZ,

renelagos engineers

Objetivos de la NCh433

Lograr estructuras que:

a) resistan sin daños movimientos sísmicos de intensidad

moderada;

b) limiten los daños en elementos no estructurales durante

sismos de mediana intensidad;

c) aunque presenten daños, eviten el colapso durante

sismos de intensidad excepcionalmente severa.

Filosofía de Diseño Sísmico

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moderada;





- Se mencionan tres niveles de intensidad de movimiento

sísmico, pero la norma no los define en forma explícita.

- Se definen como objetivo tres niveles de desempeño pero no

se exige su verificación explícita.


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moderada;





- Los procedimientos definidos en las normas tradicionales

intentan satisfacer implicitamente y simultáneamente los tres

objetivos de desempeño, estableciendo reglas prescriptivas

para un solo nivel de solicitación sísmica.


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Vision 2000 (SEAOC 1995):

Conceptos para el Diseño por Desempeño (PBD)


Objetivos de Desempeño

Niveles Sísmicos para Diseño y Verificación

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Niveles de desempeño

Como se produce daño?:

a) Daño Estructural: Depende de εc y εs

b) Daño en componentes No-Estructurales: δi / hi

c) Daño en Contenidos: Depende de la aceleración.


renelagos engineers

Niv

ele

s d

e S

acu

did

a S

ísm

ica Frecuente

(PR = 43 años)

50% in 30 años

Ocasional

(PR = 72 años)

50% in 50 años

Severa

(PR = 475 años)

10% in 50 años

Muy Severa

(PR = 970 años)

10% in 100 años

Desempeño de la Edificación

Plenamente

Operativo

Seguridad

de VidaOperativo

Colapso

Inminente

Objetivos de

Desempeño(Vision 2000)

SEAOC – VISION 2000

d/H objetivo: 0.002 0.005 0.015 0.025 renelagos engineers

Niv

ele

s d

e S

acu

did

a S

ísm

ica Frecuente

(PR = 43 años)

50% in 30 años

Ocasional

(PR = 72 años)

50% in 50 años

Severa

(PR = 475 años)

10% in 50 años

Muy Severa

(PR = 970 años)

10% in 100 años


Plenamente

Operativo

Seguridad

de VidaOperativo

Colapso

Inminente

Objetivos de



d/H objetivo: 0.002 0.005 0.015 0.025

Nivel de

Demanda

NCh433

Sa/R*

1.4 Sa/R*

Sa

1.2 Sa

renelagos engineers

Los Angeles Tall Buildings

Structural Design Council

(LATBSDC)

Pacific Earthquake

Engineering Research

Center (PEER)

Council on Tall Buildings

And Urban Habitat

(CTBUH)

Ejemplos de Normas Sísmicas para

Performance-base Design

renelagos engineers

Niv

ele

s d

e S

acu

did

a S

ísm

ica Frecuente

(PR = 43 años)

50% in 30 años

Ocasional

(PR = 72 años)

50% in 50 años

Severa

(PR = 475 años)

10% in 50 años

Muy Severa

(PR = 970 años)

10% in 100 años


Plenamente

Operativo

Seguridad

de VidaOperativo

Colapso

Inminente

Objetivos de



d/H 0.002 0.005 0.015 0.025

Nivel de

Demanda

NCh433

Sa/R*

1.4 Sa/R*

Sa

1.2 Sa

renelagos engineers

Niv

ele

s d

e S

acu

did

a S

ísm

ica Frecuente

(PR = 43 años)

50% in 30 años

Ocasional

(PR = 72 años)

50% in 50 años

Severa

(PR = 475 años)

10% in 50 años

Muy Severa

(PR = 970 años)

10% in 100 años


Plenamente

Operativo

Seguridad

de VidaOperativo

Colapso

Inminente

Objetivos de



d/H 0.002 0.005 0.015 0.025

Extremadamente Raro = MCE

(PR = 2475 años)

2% en 50 años con tope deterministico.

Nivel de

Demanda

NCh433

Sa/R*

1.4 Sa/R*

Sa

1.2 Sa

1.5 Sa

Niv

ele

s d

e S

acu

did

a S

ísm

ica Frecuente

(PR = 43 años)

50% in 30 años

Ocasional

(PR = 72 años)

50% in 50 años

Severa

(PR = 475 años)

10% in 50 años

Muy Severa

(PR = 970 años)

10% in 100 años


Plenamente

Operativo

Seguridad

de VidaOperativo

Colapso

Inminente

Objetivos de



d/H 0.002 0.005 0.015 0.025

Extremadamente Raro = MCE

(PR = 2475 años)

2% en 50 años con tope deterministico.

Nivel de

Demanda

NCh433

Sa/R*

1.4 Sa/R*

Sa

1.2 Sa

1.5 Sa Baja Probabilidad

de Colapso

Sísmos de Magnitud ≥ 8 entre 1570 y 2010 en

Chile

renelagos engineers

renelagos engineers

¿Cómo se comportaron los edificios en el

terremoto del 27F - 2010?

Solo los habitacionales construidos entre 1985 y 2009

• Edificios que colapsaron: 4 (aprox.)

• Edificios para demolición: 40 (estimados)

• Número de edificios > 3 pisos 9.974

• Número de edificios > 9 pisos 1.939

• Edificios Colapsados > 9 pisos: 0.2 %

• Edificios para demolición: 2.0 %

Niv

ele

s d

e S

acu

did

a S

ísm

ica Frecuente

(PR = 43 años)

50% in 30 años

Ocasional

(PR = 72 años)

50% in 50 años

Severa

(PR = 475 años)

10% in 50 años

Muy Severa

(PR = 970 años)

10% in 100 años


Plenamente

Operativo

Seguridad

de VidaOperativo

Colapso

Inminente

Objetivos de



Structural Design Council (LATBSDC)

d/H objetivo: 0.002 0.005 0.015 0.025

Nivel de

Demanda

NCh433

Sa/R*

1.4 Sa/R*

Sa

1.2 Sa

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La Práctica Chilena en Diseño Sísmico

Chile tiene varias normas de solicitaciones y de diseño

sísmico, diferenciadas por funcionalidad o sistema

estructural.

Normas de solicitaciones sísmicas:

NCh433 para edificios residenciales y oficinas

NCh2745 para edificios con aislación basal

NCh2369 para instalaciones industriales

Performance Based Design: No está en las Normas

Se ha usado en proyectos especiales

Análisis No-lineal (push-over, time history)

Para identificar modo de falla y nivel de desempeño

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Demandas Elásticas en las Normas Chilenas: (SD: 10% en 50 años)

NCh 433 Of 2009 para edificios residenciales y oficinas

NCh 2745 Of 2003 para edificion con aislación basal

NCh 2369 Of 2003 para instalaciones industriales

A) Espectros de Aceleraciones B) Espectros de Desplazamiento Espectros de respuesta para 5% de amortiguamiento y registros (Mw 7.8 - 8.8) obtenidos en Zona sísmica 3 y suelo Típo II

NCh 2745

NCh 2745

NCh 2369

NCh 2369

NCh 433 NCh 433

NCh 2745

NCh 433

NCh 2745

NCh 433


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NCh 433 Of 2009:

•Tipo de análisis: Análisis Modal Espectral – Modelo Lineal

•Fuerzas de diseño: Respuesta elástica reducida por R*

•Esfuerzo de corte basal: ≥ Esfuerzo de corte mínimo

•Control de deriva: En el C.M. y en el perímetro

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Espectro Elástico: Sa (Zona Sísmica 3)


renelagos engineers


renelagos engineers

δu = desplazamiento lateral de diseño en el techo (DS61)

Niv

ele

s d

e S

acu

did

a S

ísm

ica Frecuente

(PR = 43 años)

50% in 30 años

Ocasional

(PR = 72 años)

50% in 50 años

Severa

(PR = 475 años)

10% in 50 años

Muy Severa

(PR = 970 años)

10% in 100 años


Plenamente

Operativo

Seguridad

de VidaOperativo

Colapso

Inminente

Objetivos de



Structural Design Council (LATBSDC)

d/H objetivo: 0.002 0.005 0.015 0.025

Nivel de

Demanda

NCh433

Sa/R*

1.4 Sa/R*

Sa

1.2 Sa

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El edificio chileno de H.A.

Indices Estructurales

relacionados con Desempeño

Sísmico

renelagos engineers

δd = desplazamiento de diseño (NCh433)

δy = desplazamiento de fluencia (push-over analysis)

δu = desplazamiento máximo de techo = 1.3 Sde (NCh433)

µ = demanda global de ductilidad de desplazamiento = δu / δy

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Vu

Diagrama: Fuerza Horizontal V - Deformación lateral δ

δu

θp

Edificios Chilenos: Indices Estructurales

Vu

1.4 δd

renelagos engineers

δu

θp

Diagrama: Fuerza Horizontal V - Deformación lateral δ


δd = desplazamiento de diseño (NCh433)

δy = desplazamiento de fluencia (push-over analysis)

δu = desplazamiento máximo de techo = 1.3 Sde (NCh433)

µ = demanda global de ductilidad de desp. = δu / δy≤ µΔ*

µΔ* = razón de ductilidad de desp. modificada = δu / 1.4δd

Razón de ductilidad de desplazamiento modificada µΔ*

µΔ* = δu / 1.4* δd ≥ µ = demanda global de ductilidad de desp.

1280 edificios: Base de datos René Lagos Engineers

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Envolvente de µΔ*


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Espectro de Desempeño a partir del Espectro de Desplazamiento

1.3Sde max


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Short & Flex.

Tall & Stiff Tall & Flex.

Short & Stiff

Stiff Flex.

Tall

Short

1.3Sde max


Espectro de Desempeño a partir del Espectro de Desplazamiento

Indice de Desempeño: δu /Ho

2622 Edificios Chilenos: Base de Datos T. Guendelman

δu = 1.3 Sde (Tag)

88%

54%

renelagos engineers

δu

Ho

0

5

10

15

20

0 50 100 150 200 250

10

00

du/H

o

Ho/T (m/sec)

Drift and Stiffness2622 Chilean Buildings Database by Guendelman

fully operational

operational

flexiblebuildings

normalstiffnessbuildings

stiff buildings



Desplazamiento de Techo δu =1.3 Sde (Zona 2 - Suelo II) 85 Edificios: Base de Datos René Lagos Engineers

Buildings with Ho/T > 40 (normal stiff.)

→ Drift < 0.005 (operational) renelagos engineers


La manera más eficiente de mejorar el desempeño

sísmico es reducir el “drift” aumentando el valor

del parámetro Ho/ T renelagos engineers




Los edificios de muros tienen valores del parámetro

Ho/ T mayores que los edificios de marcos rígidos

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Desplazamiento relativo de entre-piso: δi / hs

Indicador de control de daño en elementos no-estructurales

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d top

i

d i

hs

i

d i

hs

d top d top

H

edif. muros edif. marcos sistemas duales

Max i ~ 1.2 Max i ~ 2.0 Max i ~ 1.2

Studies based on inelastic models for Chilean earthquakes records (Bonelli, 2008) indicate ratios

between maximum interstory drift vs maximum roof drift between 1.2 and 2.0, the smallest values

for shear wall type buildings and the largest values for frame type buildings.

=dtop / H

i =di / hs


Demanda de Desplazamiento vs Daño Sísmico Estructural

Parámetros: Ho/T - Deformación unitaria del hormigón εc

Post-terremoto la Norma NCh430 establece

un control de daño ~ SDI

ACI 318-11 §21.9.6.2 model

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lw

hw

ϕu = demanda de curvatura θp = demanda de rotación


0.000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.010

0.012

0.014

0.016

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60

εc

c/lw

N=15

N=20

N=25

Ho/T=40

Ho/T=70

Ho/T=100

N= número de pisos Zona Sísmica 3 – Suelo Tipo D

Profundidad de la fibra neutra (%):

Edificios Flexibles (bajo Ho/T) son mas suceptibles de daño cuando aumenta la carga axial.

Los edificios de rigidez intermedia (Ho/T=70 ), presentan valores de εc < 0.008 para c/lw< 0.5

En edificios rígidos (Ho/T=100 ), la mayoría de los valores de εc quedan bajo el límite 0.003

Para niveles bajos e carga axial (low c/lw), es poco probable que se produzca daño por

compresión, independientemente de la rigidez de la estructura y del número de pisos.

renelagos engineers

0.000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.010

0.012

0.014

0.016

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60

εc

c/lw

N=15

N=20

N=25

Ho/T=40

Ho/T=70

Ho/T=100

N= número de pisos Zona Sísmica 3 – Suelo Tipo D lw

hw





La incorporación Post-terremoto en la Norma Chilena de un límite a la deformación unitaria

por compresión en el hormigón = 0.008 (estado límite de daño por compresión), puede ser

vista como una reducción en los niveles de carga axial (o en la profundidad del eje neutro),

pero también puede interpretarse como un incentivo a la adopción de structuras mas rígidas,

lo cual reafirma la práctica histórica Chilena.

renelagos engineers

lw

hw




0.000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.010

0.012

0.014

0.016

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60

εc

c/lw

N=15

N=20

N=25

Ho/T=40

Ho/T=70

Ho/T=100

N= número de pisos Zona Sísmica 3 – Suelo Tipo D


Basado en lo anterior, se puede afirmar que, aunque el

“Objectivo Básico” de la Norma Chilena es similar al

criterio del VISION2000 (SEAOC), el nivel real de

desempeño que se logra para edificios normales está

más próximo al objetivo de desempeño correspondiente a

edificios en categoría “Esenciales - Peligrosos ”.

Edificios Chilenos: desempeño Sísmico Estructural

renelagos engineers

Edificios típicos Chilenos de muros

1.- En Chile ocurren terremotos de gran magnitud cada

83 ± 9 años en la zona central del pais.

En forma práctica, podríamos asumir que todo edificio

experimentará durante su vida útil, en alguna ocasión el

sismo más severo. Por lo cual vastaría con considerar

para efectos de diseño, un solo sísmo, para el cual el

objetivo de diseño debería ser de ocupación inmediata

(operational).

renelagos engineers

Concluciones:

¿Diseño Basado en Desempeño en Chile?

2.- El parámetro Ho/T tiene una buena correlación con los

objetivos de desempeño definidos como δu/Ho de acuerdo

al documento VISION 2000 del SEAOC.

En edificios con altos valores de Ho/T (>70), los estudios

indican que en suelos firmes es posible esperar una

respuesta gloval elástica, no obstante que a nivel de

elementos individuales, puede ocurrir comportamiento

inelástico.

renelagos engineers

Concluciones:


3.- La incorporación post-terremoto en la Norma Chilena

de un límite a la deformación unitaria por compresión en

el hormigón = 0.008 (estado límite de daño por

compresión), puede ser vista como una reducción en los

niveles de carga axial (o en la profundidad del eje neutro),

pero también puede interpretarse como un incentivo a la

adopción de structuras mas rígidas, lo cual reafirma la

práctica histórica Chilena. Esta exigencia en conjunto con

el uso de sistemas estructurales con valores altos de Ho/T

conduce a estructuras que presentan buenos niveles de

desempeño sísmico.

renelagos engineers

Concluciones:


4.- Reconociendo que el nivel de desempeño de un

edificio depende de la demanda de esplazamiento y no de

su resistencia, las limitaciones de la norma Chilena

NCh433.Of96 para deformaciones de entrepiso bajo

fuerzas reducidas, en conjunto con la exigencia de un

esfuerzo de corte basal mínimo, han derivado en el uso de

sistemas estructurales rígidos con altos valores de Ho/T.

Esto indirectamente ha contribuido el comportamiento

exitoso que históricamente han presentado nuestros

edificios al ser sometidos a terremotos fuertes.

renelagos engineers

Concluciones:


5.- La norma Chilena de diseño sísmico declara como

objetivo un nivel de desempeño de “seguridad de vida”

para el terremoto de los 475 años para edificios normales.

Sin embargo como se ha mostrado, el “Drift” de techo

para la mayoría de los edificios diseñados de acuerdo a la

práctica Chilena queda bajo 0.5%, lo cual corresponde a

un nivel de “operacional”.

También se debe reconocer que para terremotos

frecuentes o incluso ocasionales, los edificios han

presentado niveles de desempeño “completamente

operacional”. renelagos engineers

Concluciones:


renelagos engineers

Chilean type shear wall buildings

Concluciones:


6.- Basado en lo anterior, se puede afirmar que, aunque el

“Objectivo Básico” de la Norma Chilena es similar al

criterio del VISION2000 (SEAOC), el nivel real de

desempeño que se logra para edificios normales está

más próximo al objetivo de desempeño correspondiente a

edificios en categoría “Esenciales - Peligrosos ”.

Gracias!

renelagos engineers

aice nov 2012 rev1 rene lagos

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