dinamica estructural
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conferencia de dinamica estructuralTRANSCRIPT
CAPÍTULO DE ESTUDIANTES DEL AMERICAN CONCRETE INSTITUTE
UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN
DISEÑO SÍSMICO POR DESEMPEÑO:PROPUESTA PARA LA NORMA
PERUANA
DR. JAVIER PIQUE DEL POZOING. JAVIER FRANCISCO TAIPE CARBAJAL
NECESIDAD DE NUEVO CONCEPTO DE DISEÑO
SISMORRESISTENTE
Las consecuencias de sismos aún no pueden ser reducidas a daño irrelevante:
Loma Prieta (1989, magnitud 7.1, pérdidas por $ 7000 millones) y Northridge (1994, magnitud 6.7, pérdidas por $ 15000-20000 millones), en California EE.UU.
Gran terremoto de Hanshin (Kobe, 1995) en Japón. Terremoto de Bam (2003, magnitud 6.3, más de
20000 mil fallecidos...) en Iran.Ante esto diversos investigadores observan la metodología de diseño actual:
Vitelmo V. Bertero: "Los códigos sísmicos modernos, que intentan reflejar grandes avances en conocimiento y entendimiento … no son transparentes sobre el nivel de comportamiento esperado. El nivel de comportamiento esperado de se ha convertido en una parte implícita, más que explícita de los códigos, a través de una serie de factores empíricos y requerimientos de armadura que esconden la verdadera naturaleza del problema de diseño sismorresistente: el comportamiento del edificio"
La metodología de diseño actual, está basada en un terremoto de diseño de única intensidad o nivel de aceleración. En concordancia con la filosofía de diseño, toda estructura que es sometida a un terremoto intenso debería diseñarse para evitar el colapso más no para evitar sufrir daños estructurales. Este criterio no está adecuadamente representado en la metodología de diseño y constituye uno de los puntos débiles de la ingeniería sismorresistente.
Ministerio de Construcción del Japón: El desempeño sismorresistente de una edificación no está
representado en el diseño; las edificaciones se diseñan empleando procedimientos predeterminados, sin investigar su comportamiento ante fuerzas sísmicas y sin definición del desempeño sismorresistente requerido.
Es difícil para los ocupantes entender el concepto de desempeño sismorresistente, que trae consigo la confusión en cuanto a la perspectiva de daño.
El concepto de costo de desempeño sismorresistente es raramente usado en el campo de las obras civiles; en otros productos industriales, este balance entre el costo y el desempeño es dominante.
CONCEPTO DE DISEÑO POR DESEMPEÑO
El diseño por comportamiento esperado, el diseño basado en performance o Diseño por Desempeño, se define como una serie de procedimientos para que las obras civiles tengan un desempeño sismorresistente controlable y predecible ante niveles definidos de sismo; dentro de niveles de confiabilidad definidos.Los niveles permisibles de daño se denominan Nivel de Desempeño; la especificación para que el Nivel de Desempeño no sea excedido durante el Sismo de Diseño se denominan Objetivos de Desempeño.
MARCO DE DESARROLLO
El Diseño por Desempeño es materia de investigación en el mundo. En EE.UU. existen pautas o criterios de diseño como: Vision 2000, ATC-40, FEMA-273, FEMA-350…En Japón inclusive ya se encuentra incorporado en la norma de diseño sismorresistente.Sobre la base de la metodología de diseño de los diversos grupos de trabajo señalados, se propone un Marco Conceptual y Medología del Diseño por Desempeño para su desarrollo en nuestro medio:
ETAPA DEPROYECTO
(pre-- construcción)
ETAPA DEMANTENIMIENTO(post - construcción)
ETAPA DEMATERIALIZACION
(construcción)
Fig. 7.1 Marco de Desarrollo del Diseño por Desempeño
SELECCIÓN DE OBJETIVOS DEDESEMPEÑO
ANÁLISIS DE ACEPTABILIDAD
CONTROL DE CALIDAD DELPROCESO CONSTRUCTIVO
MANTENIMIENTO DEHABITABILIDAD
EVALUACION DE DESEMPEÑO
Marco de Desarrollo
METODOLOGÍA DEL DISEÑO POR DESEMPEÑO
MANTENIMIENTO Y HABITABILIDAD
CUMPLE ELOBJETIVO DEDESEMPEÑO
CERTIFICACION DE DESEMPEÑO
CONTROL DE CALIDAD DEL PROCESO CONSTRUCTIVO
EVALUACION DE DESEMPEÑO
EXPECTATIVAS DE LOS OCUPANTESEl Objetivo de Desempeño debe ser de fácil entendimiento para los ocupantes.El Objetivo de Desempeño influye en el costo de la construcción.Corresponsabilidad de los ocupantes en la selección del Objetivo de Desempeño.
OBJETIVO DE DESEMPEÑO
SISMO DE DISEÑO
NIVEL DE DESEMPEÑO
ANALISIS DE ACEPTABILIDAD
FIN
TotalmenteOperacional Operacional
Asegura laVida
Cerca alColapso
ComportamientoInaceptable
(para construcciones nuevas)
Niv
el d
el S
ism
o de
Dis
eño
Frecuente(43 años)
Ocasional(72 años)
Raro(475 años)
Muy Raro(970 años)
Objetivo Básico
Nivel de Comportamiento Sísmico Esperado
Objetivo de Riesgo Esencial
Objetivo de Seguridad Crítica
Diseño para Comportamiento
NIVELES DE DESEMPEÑO
Filosofía de Diseño
Sismorresistente
Norma peruana E-030 (2001)
Diversos grupos de investigadores
(Cap. 4)
PROPUESTA DE NIVEL DE
DESEMPEÑO
Sin daño Insignificante
Daño leve Daño aceptable
Ligero
HABITABILIDAD INMEDIATA
Daño importante Daño grave Moderado REPARABILIDAD
Severo PREVENCION DEL COLAPSO
SISMO DE DISEÑO
Niveles Per. de Retorno (Tr) Prob. de excedencia
Frecuente 30 años 50% en 30 añosOcasional 50 años 50% en 50 años
Raro 475 años 10% en 50 años
Muy Raro 970 años 10% en 100 años
ACELERACIONES CALCULADAS (g)
SISMO DE DISEÑO
OCASIONAL FRECUENTE RARO MUY RARO
50% en 30años
50% en 50años
10% en 50años
10% en 100años
43años
72años
475 años
950años
.0228 .0138 .0021 .0011ZONA 1 .08 .09 .16 .19ZONA 2 .14-.24 .16-.28 .25-.45 .29-.53ZONA 3 .17-.26 .19-.29 .30-.46 .35-.54
SISMO NIVELES DE DESEMPEÑODE Habitabilidad Reprabilidad Prevención del
DISEÑO Inmedita Colapso
frecuente
Ocasional
Raro
Muy Raro
OBJETIVOS DE DESEMPEÑO
EVALUACION DE DESEMPEÑO
Procedimiento Lineal-elástico
Estático: Fuerzas equivalentes
Dinámico: Análisis Espectral, Análisis Tiempo-HistoriaProcedimiento No Lineal-inelástico
Estático: Análisis Estático Incremental “pushover”
Dinámico: Análisis Tiempo-Historia paso a paso.Existen enfoques de diseño que son materia de investigación,
así como también ya existen métodos que ya se vienen empleando.
ENFOQUES BASADOS EN DESPLAZAMIENTONewmark-Hall (1982)
CURVA DE DEMANDAPara 5%, 10%, 15% y 20 %de amortiguamiento
Ti
EBD
DBD
TEFF
Curva Espectro de Capacidad pushover
VELAST
Ki
KEFF
5% 10%
15% 20%
VMAX
T = Meta de desplazamiento
ESPECTRO DE RESPUESTA DE ACELERACION - DESPLAZAMIENTO
Sa
Sd
DISEÑO BASADO EN DESPLAZAMIENTO DIRECTOShibata y Sozen (1976)Priestley, Calvi, Kowalsky
Vb
Vb
me
he
FFu
Fn rKi
KiKe
y d
Muros Estructurales
Marcos de Concreto
Pórticos de acero
Elasto-Plásticos
Periodo (sec)
Am
ortig
uam
ient
o (
%)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
10
20
30
40
50
60
70
2 %
5 %
10 %
20%
50 %
Des
plaz
amie
nto
(mm
)
Te
d
Ductilidad
(a) Simulacion de SDOF (b) Rigidez Efectiva Ke
(c) Ductilidad & Amortiguamiento Equivalente.
(d) Espectro de diseño de Desplazamiento
ENFOQUE BASADO EN ENERGIAHousner (1956)
DEMANDA OFERTA
Donde:Ei : Energía de entrada
Ee : Energía elástica
Ed : Energía disipada
Ek : Energía cinética
Es : Energía de deformación elástica
Eh : Energía de amortiguamientoEh : Energía histerética plástica
HHskdei EEEEEEE
Método de Espectro de CapacidadFreeman (1998)
Sd
Capacidad
Sa
Sd
Reducido
SaElástico
Sd
SaPunto de
Desempeño
Curva de Capacidad Solicitación Sísmica
PROCEDIMIENTO DEL FEMA-273
gTSaCCCC eO
2
2
321 4
Te : Periodo efectivoCo : Factor de modificación relacionado al
desplazamiento espectralC1 : Factor de modificación relacionado al
desplazamiento inelástico máximoC2 : Factor de modificación relacionado a la forma
de histéresis.C3 : Factor de modificación relacionado al incremento
de desplazamiento P-Sa : Aceleración Espectralg : gravedad
MÉTODOS DE ANALISIS PARA LA EVALUACION DE DESEMPEÑO
ANÁLISIS DE ACEPTABILIDAD Se emplea para verificar que el diseño adecuado, que los
Objetivos de Desempeño y criterios de aceptabilidad se hayan cumplido.
Los valores límite de parámetros de respuesta (distorsión, desplazamiento, resistencia, esfuerzos e índices de deformación, demanda de ductilidad, demanda de energía, aceleración y velocidad), que pueden ser correlacionadas con niveles de daño y con los Objetivos de Desempeño, forman el criterio de aceptabilidad para el diseño.
La aceptabilidad se evalúa considerando desempeño local (nivel de elemento) y desempeño global.
FUERZA LATERAL
DEFORMACION LATERAL
ACCIONES PRINCIPALES
0.75dd ESTABILIDAD
ESTRUCTURAL
SEGURIDAD DE VIDA
A
BC
D E
Aceptabilidad Local
CRITERIO DE ACEPTABILIDAD PARA CONCRETO
CRITERIO DE ACEPTABILIDAD PARA ALBAÑILERIA
CRITERIO DE ACEPTABILIDAD PARA ACERO
ANALISIS DE ACEPTABILIDAD BASADO EN CONFIABILIDAD
λ: parámetro de índice de confianza γ: Factor de variabilidad de demanda γa: Factor de incertidumbre de análisis Ф: Factor de resistencia D: Demanda calculada por análisis C: Capacidad
La Capacidad para un análisis de la estabilidad global también se emplea el Procedimiento Dinámico Incremental.
CDa
.
MODELO
DESPLAZAMIENTO MAXIMOSISMO DE DISEÑO: RARO
-2.5
-2-1.5
-1-0.5
0
0.51
1.52
2.5
0 20 40 60 80 100
t (s)
d (c
m)
703570367038703970507051
ANÁLISIS DE ACEPTABILIDADHABITABILIDAD
INMEDIATA(1/200)
REPARABILIDAD(1/100)
PREVENCIONDEL COLAPSO
(1/80)
FRECUENTE 1/211-1/574(1/342-1/440)
OCASIONAL 1/174-1/475(1/217-1/327)
1/174-1/475(1/217-1/327)
RARO 1/109-1/261 1/109-1/261 1/109-1/261
MUY RARO 1/85-1/1601/85-1/160
(1/118)
ANALISIS DINAMICO INCREMENTAL
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
D (cm)
Sa (g
)
7035
70367038
70507051
7039
ANALISIS DINAMICO INCREMENTAL & ANÁLISIS ESTATICO INCREMENTAL
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
D (cm)
Sa (g
) A.D.I
A.E.I
CONCLUSIONES Los procedimientos de diseño “clásicos” o convencionales no
interpretan la filosofía de diseño sismorresistente( denominado Filosofía y Principios de Diseño, en el acápite 1.2 de nuestro código).
El Diseño por Desempeño interpreta la filosofía de diseño sismorresistente de la mayoría de códigos; en tal sentido se plantea Niveles de Desempeño:
Habitabilidad Inmediata, Reparabilidad y Prevención del Colapso;
Sismo de Diseño: Frecuente, Ocasional, Raro y Muy Raro; Objetivos de Desempeño: para obras civiles comunes, obras civiles esenciales y para obras civiles críticas.
CONCLUSIONES
Los resultados del análisis lineal-elástico discrepan en 150% aproximadamente. La mayor discrepancia se dá en los resultados obtenidos por los procedimientos dinámicos (análisis espectral y tiempo-historia). El procedimientos estático discrepa del análisis espectral en 70% aproximadamente y; 48% con el procedimiento lineal dinámico (tiempo-historia).
Los resultados del análisis no lineal-inelástico para nivel de Sismo de Diseño: Raro, discrepan en 139% aproximadamente. Los resultados del procedimiento estático discrepan en 70% aproximadamente.
CONCLUSIONES
Los resultados del análisis no lineal-inelástico para nivel de Sismo de Diseño: Muy Raro, discrepan en 88% aproximadamente. Los resultados del procedimiento estático discrepa en 75% aproximadamente.
Los resultados de distorsión o desplazamiento de entrepiso del análisis no lineal-inelástico dinámico son menores que los resultados del análisis no lineal-inelástico estático; sin embargo a nivel de resultados de cortante en la base la discrepancia es menor.
