analisis sismico entre muros de ductilidad limitada y albañileria confinada
TRANSCRIPT
ANÁLISIS SISMICO COMPARATIVO ENTRE LOS
SISTEMAS DE MUROS DE DUCTILIDAD LIMITADA Y
ALBAÑILERÍA CONFINADA PARA EDIFICACIONES
CON PLATEAS DE CIMENTACION SOBRE BASE
ELASTICA
DR. GENNER VILLARREAL CASTRO PROFESOR EXTRAORDINARIO UPAO
PROFESOR PRINCIPAL UPC, USMP, CAPI
PREMIO NACIONAL ANR 2006, 2007, 2008
Desarrollo de Investigación
Análisis Sísmico:
Discusión de resultados
Líneas Futuras de Investigación
Interacción Sísmica Suelo Estructura
ANÁLISIS
COMPARATIVO
- Sistema de Muros de Ductilidad Limitada
- Sistema de Albañilería Confinada
- Conclusiones y recomendaciones
Objetivo
General:
- Adecuado comportamiento estructural ante amenaza sísmica
Descripción del Proyecto
PROYECTO: “El Parque de Santa María”
UBICACIÓN:
- Urb. Santa María Mz “F”
- Trujillo - La Libertad
EDIFICIO TÍPICO:
- 4 Niveles
- 2 Departamentos por nivel
- Área Techada = 75 m2 por departamento
DISTRIBUCIÓN POR DEPARTAMENTO:
- 1 Sala Comedor
- 1 Cocina - Lavandería
- 1 Hall
- 3 Dormitorios
- 1 Baño completo en dormitorio principal
- 1 Baño completo visitas
Definiciones
Sistema de Albañilería Confinada:
Platea de Cimentación:
Sistema de Muros de Ductilidad Limitada:
Modelo Dinámico de Interacción Suelo-Estructura
Unidades de albañilería superpuestas + enmarcado elementos de CºAº(confinamientos)
Muros delgados de CºAº (cuantías mínimas de refuerzo repartido + ref. en extremos)
Losa maciza de CºAº, bidireccional, presiones uniformes sobre el suelo
Z
XY
kz
ky
kx
k xkz
k y
ACK
ACK
ACK
zz
yy
xx
ICK
ICK
ICK
zz
yyy
xxx
..
..
Modelo Dinámico de D.D. Barkan - O.A. Savinov
Sólo se calculan Cinco coeficientes de rigidez de los seis grados de libertad existentes,
ya que en este modelo se restringe el giro en el eje “z”
Cálculo de Co
Perfil Base de
fundación Suelo
Co
(kg/cm3)
S1 Roca o suelo
muy rígido
Arcilla y arena arcillosa dura
(IL<0) 3.0
Arena compacta (IL<0) 2.2
Cascajo, grava, canto rodado, arena densa. 2.6
S2 Suelo intermedio
Arcilla y arena arcillosa plástica
(0.25 < IL ≤ 0.5) 2.0
Arena plástica (0< IL ≤ 0.5) 1.6
Arena polvorosa medio densa y densa
(e ≤ 0.80) 1.4
Arena de grano fino, mediano y grueso
independiente de su densidad y humedad 1.8
S3
Suelo flexible o
con estratos de
gran espesor
Arcilla y arena arcillosa de baja plasticidad
(0.5< IL ≤ 0.75) 0.8
Arena Plástica (0.5< IL ≤ 1) 1.0
Arena pólvoras, saturada, porosa (e > 0.80) 1.2
S4 Condiciones
excepcionales
Arcilla y arena arcillosa muy blanda
(IL>0.75) 0.6
Arena movediza (IL>1) 0.6
ACK
ACK
ACK
zz
yy
xx
yyy
xxx
ICK
ICK
..
..
o
Z
o
Y
o
X
A
baCoC
A
baDoC
A
baDoC
.
)(21
.
)(21
.
)(21
o
y
o
x
A
baCoC
A
baCoC
.
)3(21
.
)3(21
CoDo .5.01
1
Modelo Dinámico de la Norma Rusa
Se calculan los seis coeficientes para los 6 grados de libertad respectivos.
Cálculo de bo
Tipo de Suelo de Fundación bo
suelos arenosos 1
arenas arcillosas 1.2
arcillas, cascajos, gravas,
cantos rodados, arenas densas 1.5
ACK zz
ACK xx
ICK
ICK
A
AboECz
101
z
z
zyx
CC
CC
CCC
2
7.0
X
Y
Z
X
Y
Z
Kx X
Y
Z
Ky X
Y
Z
Kz
X
Y
Z
Kφx X
Y
Z
Kφy X
Y
Z
Kψz
Configuración Estructural
Nivel 1 er 2 do 3 er 4 to Condición Obs.
Irregularidades Est. en Altura Parámetros X-X Y-Y X-X Y-Y X-X Y-Y X-X Y-Y
Irregularidades de Rigidez Total Área (m2) 3,71 6,39 3,71 6,39 3,71 6,39 3,71 6,39 A< 85% A' Cumple
Irregularidad de Masas Masas (Ton ) 14,06 13,68 13,68 11,27 M< 150%M' Cumple
Irregularidad Geométrica vertical Área planta (m2) 151,77 151,77 151,77 151,77 Ap<130%Ap' Cumple
Discontinuidad en los Sistemas R. Elemento verticales No No No No Desalineam. Cumple
Irregularidades Est. en Planta Nivel 1 er 2 do 3 er 4 to Condición Obs.
Irregularidad Torsional Desplazamientos 0,00218 0,00181 0,00179 0,00168 Δ > 50% Δ' Cumple
Esquinas Entrantes Longitud (m ) Lx esquina = 0,30 m, Ly esquina = 1,30 m, 0,20Lx = 2,40 m, 0,20Ly = 2,90 m L < 0.2Lt Cumple
Discontinuidad del Diafragma Área total =174 m2 22,23 m2 22,23 m2 22,23 m2 22,23 m2 A <0.5 At Cumple
SISTEMA DE MUROS DE DUCTILIDAD LIMITADA
Cortante en la base Z = 0,4
U = 1,0
S = 1,4
R = 4
C = 2,5x(Tp / T) ; C ≤ 2,5
→ T = hn/Ct = 10,40/60 = 0,173
Tp = 0,6 seg
(Regular)
97,516x4
5,2x4,1x1x4,0)P(
R
ZUSCV
Ton94,180Vestático
V dinámico > 80% (V estático)
Sentido X: 172,42 > 144,75 → OK!
Sentido Y: 184,43 > 144,75 → OK!
→ NO SE ESCALAN LAS FUERZAS
→ 2,5x(0,6 / 0,173) = 8,65 > 2,5 → C = 2,5
Coeficientes de Rigidez del Suelo
Análisis Sísmico en ETABS
Muros
Platea de cimentación
Losas de entrepiso
ELEMENTO ESTRUCTURAL ELEMENTO DE ANÁLISIS
SHELL = MEMBRANE + PLATE
(en el plano) (fuera del plano)
gR
ZUSCSa Aceleración Espectral:
Espectro de Respuesta:
4R
Coeficientes de Rigidez del Suelo en la Cimentación
Se asignan los Coeficientes de Rigidez del Suelo en la platea de cimentación para los
modelos de Barkan y la Norma Rusa
Coeficientes concentrados en el
centroide de la platea de cimentación
Coeficiente Kz repartido en área
de platea de la cimentación
Configuración Estructural
Nivel 1 er 2 do 3 er 4 to Condición Obs.
Irregularidades Est. en Altura Parámetros X-X Y-Y X-X Y-Y X-X Y-Y X-X Y-Y
Irregularidades de Rigidez Total Área (m2) 7.11 8.12 7.11 8.12 7.11 8.12 7.11 8.12 A< 85% A' Cumple
Irregularidad de Masas Masas (Ton ) 14,97 14.47 14.47 11,47 M< 150%M' Cumple
Irregularidad Geométrica vertical Área planta (m2) 159.16 159.16 159.16 159.16 Ap<130%Ap' Cumple
Discontinuidad en los Sistemas R. Elemento verticales No No No No Desalineam. Cumple
Irregularidades Est. en Planta Nivel 1 er 2 do 3 er 4 to Condición Obs.
Irregularidad Torsional Desplazamientos 0,00235 0,00224 0,00220 0,00198 Δ > 50% Δ' Cumple
Esquinas Entrantes Longitud (m ) Lx esquina = 0,30 m, Ly esquina = 1,35 m, 0,20Lx = 2,45 m, 0,20Ly = 2,98 m L < 0.2Lt Cumple
Discontinuidad del Diafragma Área total =182.21 m2 23.06 m2 23.06 m2 23.06 m2 23.06 m2 A <0.5 At Cumple
SISTEMA DE ALBAÑILERÍA CONFINADA
Cortante en la base Z = 0,4
U = 1,0
S = 1,4
R = 4
C = 2,5x(Tp / T) ; C ≤ 2,5
→ T = hn/Ct = 10,40/60 = 0,173
Tp = 0,6 seg
(Regular)
41.5386
5.2.4.114.0)( x
xxxP
R
ZUSCV
TonVestático 63.125
V dinámico > 80% (V estático)
Sentido X: 117,77 > 100,50 → OK!
Sentido Y: 126,83 > 100,50 → OK!
→ NO SE ESCALAN LAS FUERZAS
→ 2,5x(0,6 / 0,173) = 8,65 > 2,5 → C = 2,5
Coeficientes concentrados
en centroide de platea de
cimentación
Coeficientes de Rigidez del Suelo
Análisis Sísmico en ETABS
gR
ZUSCSa Aceleración Espectral:
Espectro de Respuesta:
6, R
Coeficiente Kz distribuido
en Área de platea de
cimentación
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
Desp
lazam
ien
tos e
n E
je
OY
(m
m)
0º 45º 90º
Ángulo de inclinación del sismo
DESPLAZAMIENTO MAXIMO EN EJE OY
Común
Barkan
Norma Rusa
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
Desp
lazam
ien
tos e
n e
l E
je
OX
(m
m)
0º 45º 90º
Ángulo de inclinación del sismo
DESPLAZAMIENTO MAXIMO EN EJE OX
Común
Barkan
Norma Rusa
FRECUENCIAS
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
300,00
350,00
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Formas de Vibración
Fre
cu
en
cia
s (
rad
/s)
Común
Barkan
Norma Rusa
PERIODOS DE VIBRACION
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Formas de Vibración
Peri
od
os d
e v
ibra
ció
n (
s)
Común
Barkan
Norma Rusa
Del Comportamiento Sísmico del Sistema de MDL
A nivel de la Interacción Sísmica Suelo-Estructura
BARKAN COMPORTAMIENTO PROMEDIO CUMPLE E030
FUERZA CORTANTE EN MURO M4X
26,50
27,00
27,50
28,00
28,50
29,00
29,50
30,00
30,50
31,00
31,50
Común Barkan Norma Rusa
Modelos Dinámicos
V (
ton
)
MOMENTO FLECTOR EN MURO M4X
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
45,00
50,00
Común Barkan Norma Rusa
Modelos Dinámicos
M (
ton
-m)
FUERZA AXIAL EN MURO M4X
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
14,00
16,00
Común Barkan Norma Rusa
Modelos Dinámicos
N (
ton
)
Fuerzas en Muros
Empotrado → Mayores Fuerzas
Flexibilidad en la Base → DISMINUYEN FUERZAS → BARKAN
Resistencia al corte del concreto de muros en XX e YY > V estático en la base:
Vxx = 242,47 ton > Vest = 144,75 ton
Vyy = 417,44 ton > Vest = 144,75 ton
Desplazamientos laterales (Δ) máximos entrepiso en XX = 6,309 mm y en YY = 4,548 mm.
→ La dirección XX (la más corta) es más flexible que la dirección YY
T = hn / Ct = Txx = Tyy = 0,173 s < Txx = 0,236 s y Tyy = 0,182 s < Ts = 0,90 (Suelo S3)
A nivel del Diseño Estructural
Masas Participantes en XX = 75.17% y en YY = 82.00%
→ % MP yy > % MP xx
+ 36 %
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
4,50
Desp
lazam
ien
tos e
n E
je
OY
(m
m)
0º 45º 90º
Ángulo de inclinación del sismo
DESPLAZAMIENTO MAXIMO EN EJE OY
Común
Barkan
Norma Rusa
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
Desp
lazam
ien
tos e
n E
je
OX
(m
m)
0º 45º 90º
Ángulo de inclinación del sismo
DESPLAZAMIENTO MAXIMO EN EJE OX
Común
Barkan
Norma Rusa
FRECUENCIAS
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Formas de Vibración
Fre
cu
en
cia
s (
rad
/s)
Común
Barkan
Norma Rusa
PERIODOS DE VIBRACION
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Formas de Vibración
Peri
od
os d
e V
ibra
ció
n (
s)
Común
Barkan
Norma Rusa
Del Comportamiento Sísmico del Sistema de AC
A nivel de la Interacción Sísmica Suelo-Estructura
BARKAN COMPORTAMIENTO PROMEDIO CUMPLE E030
MOMENTO FLECTOR EN MURO M8Y
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
Común Barkan Norma Rusa
Modelos Dinámicos
M (
ton
-m)
FUERZA CORTANTE EN MURO M8Y
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Común Barkan Norma Rusa
Modelos Dinámicos
V (
ton
)
FUERZA AXIAL EN MURO M8Y
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
1,60
1,80
2,00
Común Barkan Norma Rusa
Modelos Dinámicos
N (
ton
)
Fuerzas en Muros
Empotrado → Mayores Fuerzas
Flexibilidad en la Base → DISMINUYEN FUERZAS → BARKAN
Densidad Mínima Muros en XX e YY = Σ(L.t)/Ap > (ZUSN)/56 = 0,040
Σ(L.t)/Ap XX = 0,04723 > 0,040
Σ(L.t)/Ap YY = 0,05391 > 0,040 , ante Barkan y Norma Rusa + PLACAS
Desplazamientos laterales (Δ) máximos entrepiso en XX = 6,818 mm y en YY = 6,332 mm.
→ La dirección XX (la más corta) es más flexible que la dirección YY
T = hn / Ct = Txx = Tyy = 0,173 s < Txx = 0,256 s y Tyy = 0,222 s < Ts = 0,90 (Suelo S3)
A nivel del Diseño Estructural
Masas Participantes en XX = 72,89% y en YY = 79,81%
→ % MP yy > % MP xx
+ 48 %
CONCLUSIONES
De la Interacción Sísmica Suelo Estructura
+AMENAZA
SISMICA
MDL
AC
ADECUADO
REAL
COMPORTAMIENTO
ESTRUCTURAL
CUMPLE CON R.N.E.
INTERACCION SISMICA SUELO ESTRUCTURA
+ VENTAJASCOSTOS
TIEMPOS
INVESTIGÁNDOSE
PROBADO Y MEJORADO
+AMENAZA
SISMICA
MDL
AC
ADECUADO
REAL
COMPORTAMIENTO
ESTRUCTURAL
CUMPLE CON R.N.E.
INTERACCION SISMICA SUELO ESTRUCTURA
+ VENTAJASCOSTOS
TIEMPOS+ VENTAJAS
COSTOS
TIEMPOS
INVESTIGÁNDOSE
PROBADO Y MEJORADO
RNE de Perú NO emplea INTERACCIÓN S. S. E. → NO intervienen parámetros del EMS
Coef. Rigidez Suelo Barkan = f(Peso), Peso AC(0.87%) > MDL → AC(0.36%) > MDL
Coef. Rigidez Suelo Norma Rusa = f(geometría, EMS) → MDL = AC
Interacción Sísmica Suelo Estructura vs. Modelo Empotrado permite que:
MDL y AC → Flexibilidad de base de fundación → disminuyen fuerzas actuantes
→ suelo de fundación absorbe parte de los esfuerzos de los elementos estructurales
MDL y AC → Convencional < Barkan < Norma Rusa → Barkan: Diseño Estructural
Efecto notorio Interacción Sísmica Suelo Estructura → incluir en Norma E030 del RNE
RECOMENDACIONES
Planta exacta de platea de cimentación (geometría) → cálculo de coef. rigidez suelo
Para la Interacción Sísmica Suelo Estructura
Adecuado EMS → cálculo de coef. rigidez suelo
LINEAS FUTURAS DE INVESTIGACIÓN
Disipadores de Energía en Edificaciones Esenciales → Comp. Estructural y Costos
Estratos que conforman el suelo → Análisis de la Interacción Sísmica Suelo-Estructura
Degradación de resistencia del terreno → Comportamiento Estructural del edificio
Análisis comparativo entre Elementos Sólidos y Coeficientes de Rigidez → Interacción
Sísmica Suelo-Estructura
Efecto de la napa freática → Interacción Sísmica Suelo-Estructura
Interacción Sísmica Suelo-Estructura:
→ Obras Hidráulicas: almacenamiento, redes de agua potable y alcantarillado, etc.
→ Obras de Transporte Vial: carreteras, puentes, etc.
Comportamiento Inelástico de los materiales → Desempeño de las Estructuras
Determinación de la Vida Útil de las Edificaciones Patología estructural y del material →
¡ Muchas Gracias ! [email protected]