ALGUNOS ASPECTOS DEL DISEO SISMORRESTENTE DE EDIFICIOS Y DE

OBRAS DE INFRAESTRUCTURA

Roberto Meli

Instituto de Ingeniera, UNAM, Mxico

Temas a tratar

Criterios y normas de diseo sismorresistente

Efectos locales e interaccin suelo-estructura

Estructuras irregulares y requisitos de ductilidad

Sistemas para reduccin de la respuesta ssmica

Aspectos especiales del diseo ssmico de:

Puentes

Estructuras industriales

Tneles

Normativa sismorresitente

Son pocos los pases en los que existe un cuerpo homogneo de normas, como los Euro-cdigos

Diferencias en un mismo pas, en los criterios de diseo para distintos materiales y sistemas estructurales (Acero o concreto; edificios, puentes). Sobre todo en USA

Dos o tres cdigos se toman como modelo, pero con modificaciones derivadas de:

Los principios y los procedimientos generales tienden a coincidir

La normativa mexicana (como un ejemplo)

Normas para edificios. Los reglamentos de construccin son de mbito municipal

Muchos municipios adoptan un reglamento modelo de su estado

Normas Tcnicas Complementarias de Diseo Ssmico. Son parte de un cuerpo tcnico anexo al Reglamento de Construcciones

Las normas del Distrito Federal son adoptadas por muchos municipios

Normativa para obras civiles

Mucho ms dispersa que la de edificios

El Eurocdigo 8 cubre las obras ms comunes

En Mxico:

Manual de Diseo de Obras Civiles de la Comisin Federal de Electricidad MDOC(2008)

Captulo 3- Diseo por Sismo

Subcaptulos: Edificios; Pndulos invertidos y apndices; Muros de retencin; Chimeneas y silos; Tanques y cisternas; Estructuras industriales; Tuberas; Presas; Aislamiento ssmico y disipadores de energa; Torres de telecomunicacin; Tneles; Cimentaciones

Distintos tipos de espectros de diseo

Espectros para eventos con un perodo de retorno dado (probabilidad de excedencia)

Espectro para peligro uniforme

Espectros para distintos estados lmite

Espectro para sismo mximo creble

Acciones ssmicas de diseo

El espectro de (seudo)aceleraciones como va para definir la accin ssmica de diseo

Distintas formas espectrales. Por diferencias en la tectnica de los sismos generadores y en la forma de tomar en cuenta las modificaciones por el tipo de suelo

Ejemplo del Euro-Cdigo : Estados lmite (ltimo y de servicio: limitacin de dao)

Muchos cdigos no explican las bases para llegar a sus espectros de diseo

Espectros de velocidades y de desplazamientos

Distintos tipos de espectros de diseo

Espectros para evento con un perodo de retorno dado (probabilidad de excedencia)

Espectro como envolvente de dos o ms eventos crticos

Espectro para peligro uniforme

Espectros para distintos estados lmite: limitacin de daos, prevencin de colapso, espectro para sismo mximo creble

Forma tpica del espectro de diseo.Euro-Cdigo EC-8

Grandes diferencias entre los espectros de diseo y los de eventos registrados

Sismo de Tohoku. Espectros del movimiento ms fuerte registrado en la zona epicentral

Calle principal de la ciudad de Sendai despus del sismo de magnitud 9.0

Mxico. Sismos Fuertes en el siglo XX

MDOC-CFE. Aceleraciones mximas del terreno.Estado Lmite de Prevencin de Colapso

Efectos de sitio

Correccin del espectro para roca, a sitios con distintos tipos de suelo

Tres a cinco tipos

Efectos del suelo blando, amplificacin de ondas de periodo largo

Microzonificacin

Clculo de espectros de sitio

Factores de amplificacin para la construccin del espectro en distintos tipos de suelo EC-8

Tipos de suelo para definir Espectro de diseo.EC-8

Diferencias en los movimientos ssmicos en distintos sitios de la ciudad de Mxico

Microzonificacin de la ciudad de Mxico

NTCDS-DF. Espectros de diseo ssmico actuales

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 1 2 3 4 5

T (seg)

Sa

(g

al)

Ts=0.5

Ts=0.75

Ts=1

Ts=1.25

Ts=1.5

Ts=1.75

Ts=2

Ts=2.25

Ts=2.5

Ts=3

Ts=3.25

Ts=4

Perodos de retorno para espectros de diseo

Tpico para E.L. de prevencin de colapso (o de integridad estructural): 475 aos (10 % de probabilidad de ser excedido en 50 aos)

Para E.L. de Limitacin de daos: 50 aos (30% de ser excedido en 50 aos)

Para consecuencias muy graves en caso de falla, se aplican factores de importancia

En diseo por desempeo hay otros niveles:

Prevencin de colapso . Perodo de retorno 2475 aos, (2% de probabilidad de excedencia), para revisin de mecanismo de colapso con push-over

Factores correctivos del espectro de diseo

Por ductilidad (factor de reduccin por disipacin de energa por comportamiento inelstico, equivale a un amortiguamiento adicional)

Por sobrerresistencia (Factor de reduccin ligad principalmente al tipo de mecanismo de colapso)

Por importancia (Factor de aumento segn las consecuencias de la falla; edificios crticos)

Diferencias entre los valores especificados por distintas normas

Diferencias notables en:

Perodos de retorno y coeficientes ssmicos

Correcciones por tipo de suelo

Factores de reduccin por ductilidad y sobrerresistencia

Factores de carga para las combinaciones que incluyen sismo (llegan a ser muy distintos)

La mayora de estos factores estn calibrados para edificios

Debe evitarse mezclas de normas distintas porque pueden tener factores de seguridad mayores en diferentes partes

Criterios de diseo ssmico

Casi todas las normas establecen dos objetivos:

Daos mnimos ante sismos con moderados (intensidad con probabilidad significativa de presentarse durante la vida til del edificio)

Evitar colapso ante sismos de intensidad extraordinaria, con una probabilidad muy pequea de ocurrir

Casi ningn cdigo explica claramente cmo es que siguiendo los requisitos que establece se cumplen los dos objetivos

Diseo ssmico por desempeo

Establece relaciones explicitas entre tres (o cuatro) niveles de desempeo y las intensidades ssmicas correspondientes. Relacionan el dao y los niveles de desempeo, que se asocia a los desplazamientos laterales de (entrepiso)

En el fondo es equivalente a un diseo por estados lmites

Parece suficiente, y mucho ms prctico, limitarse a los dos estados lmite de rigor: servicio y falla

Diseo por capacidad

Requiere un dimensionamiento y detallado que garanticen que la estructura tenga un modo de falla dctil (que se alcance cierta de capacidad de desplazamiento)

Lo anterior se debe revisar con un anlisis no lineal hasta la falla (push over)

Factores de comportamiento ssmico y distorsiones de entrepiso mximas

Sistema Estructural(1)

Q(2)

Distorsiones

de Diseo

Limitaciones de Uso y

Regularidad (3)(4)

Zona I Zona II Zona III

Marcos

rgidos de

acero,

compuestos o

de concreto

reforzado

Dctiles 4.0 0.03 SR SR A, B y C

Con ductilidad limitada 3.0 0.02 SR SR A y B

Con ductilidad reducida 2.0 0.015 SR A, B y C NP

Marcos

rgidos de

acero,

compuestos o

de concreto

reforzado(5)

rigidizados

con

Con contravientos concntricos

dctiles(6) 3.0 0.015 SR A, B y C A, B y C

Con contravientos concntricos

restringidos contra pandeo(6) 4.0 0.015 SR A, B y C A, B y C

Con contravientos concntricos

no dctiles o que solo trabajan

a tensin(7)

2.0 0.008 SR A, B y C NP

Con muros de acero o

compuestos(6) 4.0 0.015 SR A, B y C A, B y C

Con muros de concreto con

detallado dctil(6)

3.5 0.015 SR A, B y C A, B y C

Con muros de concreto con

ductilidad limitada(6)

2.0 0.01 SR A y B A y B

Con muros de concreto con

ductilidad reducida (7)

2.0 0.006 SR A y B NP

Marcos conformados por columnas y losas

planas o marcos prefabricados de concreto

reforzado, ambos con detallado ssmico

2.0 0.01 SR A y B NP

Otros sistemas estructurales de acero,

compuestos o de concreto reforzado(7)

1.0 0.006 A y B A y B NP

Comprobacin del cumplimiento de los objetivos

Desempeo medido en trminos de la relacin accin-respuesta

Dao en trminos de desplazamiento lateral o distorsin de entrepiso

Relacin Fuerza Cortante-Distorsin

Relacin Fuerza cortante-distorsin de entrepiso

Mecanismo de falla dctil: viga dbil - columna fuerte

SMc = 1.5 SMg

Anlisis de la estructura

Anlisis lineal equivalente (modal espectral o paso a paso)

comportamiento no lineal tomado en cuenta con factores correctivos

Modelo de la estructura segn el nivel de desempeo que se est evaluando

Revisin de respuesta al colapso con mtodo esttico equivalente, push-over.

Efecto de la automatizacin de los procesos de anlisis y de dimensionamiento

Los grandes paquetes de cmputo para diseo

Los mtodos de anlisis tienden a hacerse ms refinados

Modelos 3D de elementos finitos, analizados con el mtodo modal espectral

Los mtodos estticos tienden a desaparecero a emplearse solo para comprobaciones.

Determinacin del sistema estructural (Estructuracin)

La estructuracin como etapa bsica del proceso de diseo

Los problemas graves se generan por sistemasestructurales inapropiados

Soluciones tpicas de regiones de bajo peligro ssmicopueden no ser adecuadas en zonas ssmicas

Caractersticas deseables del sistema estructural:Rigidez, regularidad, simetra, flujo de fuerzas claro y eficiente que se preste a lograr alta capacidad de disipacin de energa

Debilidades frecuentes:Torsin. discontinuidad, concentraciones, planta baja dbil,

Torsin por excentricidad de rigideces

Colapso por columnas dbiles

Falla por cambio de estructuracin en planta baja (Pisco, Per, 2007)

Colapso por planta baja dbilSismo de Ismit, Turqua

Casos de columnas cortas

Detallado del refuerzo

Detallado para ductilidad (capacidad de disipacin de energa)

Propicia modos de falla dctiles

Va ligado al diseo por capacidad

Cara libre del nudo

Seccin B-B

PLANTA

A

A

BB

Cara libredel nudo

Estribocerrado

oEstribo

abierto enforma deletra U

invertida

Seccin A-A

Ld

Refuerzo transversal y vertical en uniones viga-columna de marcos dctiles

Diferentes opciones para los factores de reduccin por ductilidad

Requisitos y reducciones por ductuilidad diferentes segn el peligro ssmico del sitio

Opcin de adoptar requisitos de ductilidad de distintos niveles, siempre que se usen los factores de reduccin correspondientes a cada uno de ellos

Armado de unin viga-columna paramarco dctil

Interaccin Suelo-Estructura

La presencia de la estructura modifica el movimiento del terreno en la base

La deformacin del suelo modifica el movimiento de la estructura, en particular su perodo de vibracin

Perodo predominante, TS , de la vibracin del terreno

Las caractersticas de la vibracin del terreno en un sitio se describen de manera simplificada por el perodo predominante de vibracin de los estratos deformables, TS

Las de la estructura se definen por su perodo fundamental de vibracin, TE

TS /TE Define la amplificacin del movimiento del suelo (resonancia)

Perodo fundamental de vibracin del sitio

Interaccin suelo-estructura. Modificacin de la accin del suelo sobre la estructura

Interaccin cinemtica

Las ondas de longitud menor que la dimensin de la planta, se filtran y reducen su amplitud. Este fenmenoes significativo en edificios muy rgidos y masivos sobresuelos blandos

Interaccin inercial

La vibracin del edificio como un cuerpo rgidorestituye al suelo parte de la energa que ste, habaintroducido en el edificio. Esto equivale a un amortiguamiento adicional que es significativo en edificios rgidos sobre suelos blandos

Catedral Metropolitana. Efecto de la presencia del edificio en el movimiento ssmico del terreno

Red de instrumentacin ssmica, operando desde 1997

Registros de sismo 17/01/97

Comparacin entre movimiento en stano y en campo libre

CL / SC (E - W)

0.1

1

10

100

0.1 1 10

Frecuencia (Hz)

Am

plitu

d

11-Ene-97

21-Ago-00

21-Ene-03

Respuestas registradas en techo y en stano

Efectos del movimiento de la base en la respuesta de la estructura

Hay desplazamiento y rotacin de la base de la estructura

Estos tienen efecto principalmente en el perodo fundamental del conjunto estructura-cimentacin. Muy poco en modos superiores

Interaccin Suelo-Estructura. Modelos para anlisis

Efecto del amortiguamiento en la amplificacin dinmica para un S1GL. Resonancia

Dispositivos para reducir la respuesta ssmica de las estructuras (Aisladores y Disipadores)

Particularmente empleados en puentes, porque su estructura es simple y es fcil identificar las posiciones ptimas de los dispositivos

Algunos cientos de puentes ha sido dotados de dispositivos de este tipo, pero solo pocos edificios

Su empleo es relativamente reciente, por lo que hay poca evidencia de su desempeo en sismos severos

Aplicaciones en el contenido de los edificios

Maquinaria y aparatos particularmente sensibles a la vibracin

Situaciones favorables para emplear los dispositivos reductores de la respuesta

Aisladores: Eficaces para estructuras rgidas en suelo firme y para sitios con posibles epicentros cercanos

Amortiguadores:tiles para estructuras que amplifican mucho la vibracin del terreno (condiciones cerca de la resonancia)Uso principal en rehabilitacin de edificios existentes

Aislador de base con ncleo amortiguador

Esquema del comportamiento de edificios sin y con aislamiento de base

Amortiguadores en sistemas de contraviento

Criterios de anlisis y diseo de estructuras con dispositivos reductores de la respuesta

Modelos con resortes (elsticos) y amortiguadores con propiedades derivadas de pruebas de laboratorio

Tpicamente, anlisis modal espectral y revisin con anlisis paso a paso. Los paquetes de cmputo normalmente no permiten considerar amortiguamientos diferentes a cada resorte

Ejemplo de espectro de diseo y de anlisis ssmico de un edificio alto en Mxico D.F.

Problemtica muy particular: sismos lejanos y de gran magnitud; Suelo extremadamente blando en el que se amplifican las ondas de baja frecuenciaEdificios muy altos son pocos vulnerables porque tienen frecuencias fundamentales mucho menores que las del suelo.Estudio cuidadoso del sitio. Cimentaciones profundas Interaccin muy favorable entre cimentacin y suelo

244 m, 57 pisos ms 9 stanos

Edificio alto en la ciudad de Mxico

Estratigrafa

Corte de la obra subterrnea

Efectos favorables de la parte subterrnea

La rigidez de la parte subterrnea reduce la amplificacin de las ondas desde los estratos firmes profundos

Tambin amortigua la vibracin de las ondas que son transmitidas por el suelo circundante

Reduccin importante de las ordenadas espectrales

Espectros de diseo con y sin Interaccin suelo-estructura (ISE) (Perodo de retorno de 475 aos

0

100

200

300

400

500

600

700

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Accele

rati

on

(cm

/s2)

Period (sec)

Espectro estndar Espectro calculado

0

50

100

150

200

250

300

350

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Accele

rati

on

(cm

/s2)

Period (sec)

Espectro estndar con incertidumbre

Espectro calculado

Espectros sin ISE

Espectros con ISE

Espectros de diseo para tres perodos de retorno; con y sin ISE

0

200

400

600

800

1000

1200

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Accele

rati

on

(cm

/s2)

Period (sec)

43 475 2475

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Accele

rati

on

(cm

/s2)

Period (sec)

43 475 2475

Espectros sin ISE

Espectros con ISE

Consideraciones sobre el diseo ssmico de puentes

Sistemas estructurales simples y con poca redundancia

Daos importantes en sismos recientes

Frecuentemente ubicados en riveras lo que los hace sensibles a la licuefaccin y a los efectos de la interaccin suelo estructura

Problemas por movimientos de los apoyos

Falla de apoyo de vigas en columnas Problemas de licuacin

Falla de columnas

Puente Bull Creek Canyon. San Fernando,CA

Sismo de Kobe, 1996. Falla de columnas del viaducto de Hanshin

Diseado y construido entre 1965 y 1968

Seccin y armado con capacidad para 1.0g

Escasez de acero transversal

Insuficiencia de anclaje del acero longitudinal

Puentes de una sola columna, tipo rbol. Columnas hudcas y pretensadas

Anlisis de la columna

Momento ltimo resistente de la rtula derivado de la grfica momento-curvatura

Corresponde a primera fluencia para E.L. de servicio y al inicio del aplastamiento del concreto del ncleo para el de falla, ecu=0.004, esu= 0.05

Fuentes de sobrerresistencia llevan a incrementos muy elevados respecto al resultado del anlisis

Se acostumbra incrementar 30% el momento resistente calculado, considerando que los otros estados lmites tambin tienen sobrerresistencia

Se complica para sistemas estructurales

Proyectistas prefieren usar Q= 1 (AASHTO)

Falla de base de una columna por pandeo y sucesiva ruptura de las barras longitudinales

Modo de falla

Confinamiento en rtulas plsticas

Confinamiento para ductilidad del ncleo

Los modelos de la estructura deben reflejar la penetracin de la fluencia dentro de la zapata y arriba en la columna

La reduccin de la rigidez por el agrietamiento

es muy severa y cambia el perodo de la estructura

Columnas pretensadas para mejorar control de agrietamiento

Columna prefabricada, monoltica con cabezal y zapata

Diseo de la cimentacin

Por capacidadDeben calcularse para

capacidad del suelo y para capacidad de la estructura de cimentacin

Discrepancias en los factores de sobrerresistencia

Discrepancias en los criterios de geotecnia y de estructuras

Zapata Pilas

Problemas de apoyos del sistema de piso

Efectos de movimientos fuera de fase, asentamientos de cimentacin

Proteccin contra cada de sistema de piso

Longitud de asiento

Llaves de cortante

Restrainers

Juntas flexibles viga columna para reducir la transmisin de momento a la columna

Los apoyos como sistemas de aislamiento ssmico y posible amortiguamiento

Movimiento fuera de fase de apoyos de pilas de puentes

Estructuras industriales. Tipologa

Naves industriales. Estructuras muy simples, sin columnas intermedias, prticos paralelos poco espaciados y de grandes luces, techos ligeros

Estructuras fabriles. Casi siempre irregulares con columnas que no continan en todos los niveles y grandes huecos en los sistemas de piso. Cargas concentradas elevadas.

Estructuras complementarias. Bases de maquinaria, chimeneas, Depsitos elevados

Criterios de diseo

En general los criterios de diseo son los mismosque en edificios, pero con tratamiento particularpara las condiciones especficas que se derivande que la estructura de los edificios industrialesdebe adaptarse al proceso industrial que serealiza en el edificio y suele implicarirregularidades en los sistemas estructurales

Condiciones frecuentes en edificios industriales

Falta de ortogonalidad de los sistemas resistentes

Falta de sistema de piso en algunas crujas (columnas de diferentes alturas)

Sistemas de piso que no constituyen diafragmas horizontales

Contravientos irregularmente distribuidos en planta y en elevacin

Apndices con masas importantes

Algunos criterios especficos para edificios industriales

Explorar la direccin crtica de las acciones ssmicas ortogonales (00% X +0,3Y + 0,7 V)

Mtodo de anlisis que tome en cuenta la flexibilidad del sistema de piso (en su caso)

Diseo para lograr continuidad entre los componentes estructurales

Anlisis local de los apndices estructurales y de los componentes con vibraciones locales significativas

Estados lmites especficos de desplazamientos laterales, para que no se afecte la operacin inmediata de la planta

Colapso de naves industriales en el sismo de Octubre 2012, en Emilia-Romaa

Falta de continuidad entre los elementos estructurales

Sistemas estructurales idneos.Nave industrial con estructura de acero

Efectos ssmicos en tneles

En general los efectos ssmicos en estructuras enterradas son poco significativos; se pueden volver crticos cuando atraviesan fallas activas o en suelos muy deformables o licuables

Pocos casos de daos severos

La vulnerabilidad ssmica de los tneles disminuye con la profundidad

En roca o suelo firme el tnel sigue el movimiento del suelo, y ste es poco alterado por la presencia del tnel

En suelos blandos hay que tomar en cuenta la interaccin suelo-revestimiento

Criterios de diseo

Se trata de un problema de capacidad de deformacin ms que de resistencia

Solucin con modelos analticos simplificados o

modelos de elementos finitos (PLAXIS)

Efecto de la vibracin longitudinal

Tneles en roca. Deformacin longitudinal mxima por la la incidencia de la onda de corte

Tneles en roca. Deformacin unitaria por ovalizacin

Tneles en roca. Deformacin unitaria por ovalizacin

Anlisis en suelo blandos

Ondas de corte que se propagan y se amplifican verticalmente

Se determina el mximo cambio de dimetro y se compara con el que produce agrietamiento o falta de impermeabilidad

0,005 a 0,01 segn recomendaciones

Rara vez rige el sismo

Tneles en suelo blando. Elementos mecnicos crticos en el revestimiento