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VI Congreso Internacional de Ingeniería Estructural Sísmica y Puentes 2014
Mª Carmen García PastorIng. Caminos, Canales y PuertosDpto. Desarrollo CYPE Ingenieros
VI Congreso Internacional de Ingeniería Estructural Sísmica y Puentes 2014
OBJETIVOS
Desarrollar una herramienta de cálculo innovadora basada en un modelo de análisis con soporte normativo internacional, que permita mejorar la seguridad de los edificios frente a la acción sísmica.
Hacer viable la consideración en el cálculo de los elementos no estructurales, tal como exige la aplicación de la normativa. Aspecto normalmente no considerado en los programas de cálculo tradicionales.
Generar conocimiento sobre el comportamiento estructural de las edificaciones en situación sísmica considerando varios modelos de comportamiento diferentes.
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INTRODUCCIÓN
Necesidad de potenciar el desarrollo de herramientas de cálculo que faciliten elanálisis de estructuras sometidas a acciones sísmicas de forma más realista.
Estructura con cerramientos y particiones (tabiques), cuya
contribución de rigidez puede variar a lo largo del fenómeno sísmico.
Cálculo de los elementos resistentes
(estructura aporticada)
Esfuerzos de diseño Comportamiento REAL
INTRODUCCIÓN
METODOLOGÍA
RESULTADOS
CONCLUSIONES
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INTRODUCCIÓN
Cuando un tabique no ha sido aislado del pórtico que lo enmarca, ante las acciones sísmicas se producirá la interacción de ambos sistemas. Este efecto incrementa sustancialmente la rigidez lateral del pórtico y puede generar los siguientes problemas:
(Norma E.070, Art.32.2)
•Incremento de las fuerzas sísmicas debido a una rigidez adicional
•Modificación de rigidez durante el evento sísmico
•Esfuerzos elevados en pilares de piso blando
•Efectos de torsión
INTRODUCCIÓN
METODOLOGÍA
RESULTADOS
CONCLUSIONES
Norma Técnica E.030 DISEÑO SISMORRESISTENTE. Perú (2003)Artículo 8. “Deberá considerarse el posible efecto de los elementos no estructurales en el comportamiento sísmico de la estructura.”
Norma Técnica E.030 DISEÑO SISMORRESISTENTE. Perú (2014)1.5. “Deberá considerarse el posible efecto de los tabiques, parapetos y otros elementos adosados en el comportamiento sísmico de la estructura.
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INTRODUCCIÓN
• Rigidez adicional
• Modificación de rigidez durante el evento sísmico
• Esfuerzos elevados en pilares (piso blando)
• Torsión en el edificio
METODOLOGÍA
RESULTADOS
CONCLUSIONES
Rigidez adicional
Las tabiquerías y cerramientos dotan a la estructura de rigidez adicional, modificando la ordenada espectral de los modos de vibración.
Los tabiques rigidizan a los pórticos, disminuyendo su período natural de vibrar, con lo cual, la estructura podría ingresar a la zona plana del espectro sísmico, aumentando el coeficiente sísmico y por ende, la fuerza sísmica.
Ra
ng
o d
e
per
iod
os
Ra
ng
o d
e
per
iod
os
Estructura resistenteConsideración de loselementos no estructurales
Rigidez
Periodos
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INTRODUCCIÓN
• Rigidez adicional
• Modificación de rigidez durante el evento sísmico
• Esfuerzos elevados en pilares (piso blando)
• Torsión en el edificio
METODOLOGÍA
RESULTADOS
CONCLUSIONES
Con un modelo dinámico basado exclusivamente en
elementos estructurales no se considera adecuadamente este
tipo de situaciones.
Ra
ng
o d
e
per
iod
os
Ra
ng
o d
e
per
iod
os
Ra
ng
o d
e
per
iod
os
Rotura de tabiques Situaciones intermedias
Modificación de rigidez durante el evento sísmico
Las rigideces aportadas por los diferentes elementos no estructurales pueden cambiar durante la acción sísmica debido a las grietas y roturas que van apareciendo sucesivamente.
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INTRODUCCIÓN
• Rigidez adicional
• Modificación de rigidez durante el evento sísmico
• Esfuerzos elevados en pilares (piso blando)
• Torsión en el edificio
METODOLOGÍA
RESULTADOS
CONCLUSIONES
Desplazamiento “sólido rígido”
Esfuerzos elevados en columnas (piso blando)
Los esfuerzos elevados en columnas de pisos diáfanos (blandos) o en columnas cortas,provocan fallos en las mismas si no están correctamente diseñadas.
Piso blando
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INTRODUCCIÓN
• Rigidez adicional
• Modificación de rigidez durante el evento sísmico
• Esfuerzos elevados en pilares (piso blando)
• Torsión en el edificio
METODOLOGÍA
RESULTADOS
CONCLUSIONES
Torsión en el edificio
La distribución en planta no uniforme de los elementos de albañilería, genera una traslación del centro de rigidez (CDR) hacia la zona donde están concentrados los tabiques.
CDR
Elementos constructivos
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INTRODUCCIÓN
METODOLOGÍA
• Modelo de análisis
• Metodología de cálculo
RESULTADOS
CONCLUSIONES
Representación simplificada del pórtico con panel de fábrica
METODOLOGÍAModelo de análisis.
ta F
• Diagonales de fábrica sólo trabajan a compresión.
• Rigidez en el plano del pórtico.
Características geométricas de la diagonal equivalente
Modificación del Modelo de Liau-Kwan
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INTRODUCCIÓN
METODOLOGÍA
• Modelo de análisis
• Metodología de cálculo
RESULTADOS
CONCLUSIONES
METODOLOGÍAModelo de análisis.
Rigidez al movimiento horizontal (plano del muro)
Ajuste de las dimensiones
HomoME
2
3cosxyM v
HomoM
G La
E h
Módulos elásticos:ExM; EyM; GxyM
Coeficientes Poisson:νxyM; νyxM
Resistencias:fTxM; fCxM; fTyM; fCyM; fCxyM
HM
jxyM M
F hu
G A
Propiedades mecánicas de la diagonal equivalente
• Modelo de homogeneización de la fábrica (propiedades homogeneizadas - ortotropía)
• Característica: modificar evolutivamente su capacidad estructural en función de la resistencia residual de la fábrica, que depende del nivel de daño alcanzado en la misma.
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INTRODUCCIÓN
METODOLOGÍA
• Modelo de análisis
• Metodología de cálculo
RESULTADOS
CONCLUSIONES
METODOLOGÍAModelo de análisis.
Cri
teri
o d
e d
año
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0
Variable de dañ
o "d"
Desplazamiento relativo uj (mm)
uj
Totalmente fisurado
Sin fisuración
HomoM MF t a
HomoM MF t a
1HomoM MF t a d
d = Variable de daño local
Propiedades mecánicas
Modifica la capacidad de la biela
2cosjHomo HomoM M
v
uE
l
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METODOLOGÍAMetodología de cálculo.
INTRODUCCIÓN
METODOLOGÍA
• Modelo de análisis
• Metodología de cálculo
RESULTADOS
CONCLUSIONES
[K0][M]
•Esfuerzos [0]•Desplazamientos [0]
Daño d [0]
Modos [0]
Espectrodiseño
[K1][M]
•Esfuerzos [1]•Desplazamientos [1]
Daño d [1]
Espectrodiseño
Modos [1]
[K2][M]
•Esfuerzos [2]•Desplazamientos [2]
Daño d [2]
Espectrodiseño
Modos [2]
“ES
TR
UC
TU
RA
–0
”
“ES
TR
UC
TU
RA
–1
”
“ES
TR
UC
TU
RA
–2
”
MUROFRACTURADO
MUROFRACTURADO
MUROFRACTURADO
MUROFRACTURADO
MUROFRACTURADO
ROTURAMUROS
ROTURAMUROS
El modelo computacional propuesto simplifica el problema de análisis no lineal, resolviéndolo mediante una técnica iterativa de análisis lineal a trozos
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ANÁLISIS DE RESULTADOSEjemplo de cálculo.
INTRODUCCIÓN
METODOLOGÍA
RESULTADOS
• Ejemplo de cálculo
• Caso I
• Caso II
CONCLUSIONES
Caso II:Rotura progresiva de
cerramientos.
Caso I:Piso primero diáfano.
Sistema estructural
• Pórticos concreto armado
• 7 niveles (6 + casetón)
• Luces 3 – 6 m
• Vigas peraltadas
• Losa maciza e=25cm
• Altura piso=3.10m
• Altura piso 1º=4.00m
Distribución de tabiques Elementos constructivosCaso
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ANÁLISIS DE RESULTADOSEjemplo de cálculo.
INTRODUCCIÓN
METODOLOGÍA
RESULTADOS
• Ejemplo de cálculo
• Caso I
• Caso II
CONCLUSIONES
Definición de elementos constructivos
Distribución de elementos constructivos
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INTRODUCCIÓN
METODOLOGÍA
RESULTADOS
• Ejemplo de cálculo
• Caso I
• Caso II
CONCLUSIONES
ANÁLISIS DE RESULTADOSEjemplo de cálculo. Caso I: piso primero diáfano.
Def
orm
ada
de
la e
stru
ctu
ra
Con tabiquería(Estado 1)
Sin tabiquería(Estado 0)
Piso blando(Estado PB)
Est
ado
Ele
men
tos
con
stru
ctiv
os
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Cortante Q Estado 0 (kN) Estado 1 (kN) Estado PB (kN)
Losa 6 14,234 2,873 1,514
Losa 5 171,460 7,962 2,572
Losa 4 297,594 34,063 20,781
Losa 3 395,323 48,728 28,880
Losa 2 475,143 69,091 77,022
Losa 1 543,807 69,184 166,537
Cimiento 592,599 123,832 1056,213
INTRODUCCIÓN
METODOLOGÍA
RESULTADOS
• Ejemplo de cálculo
• Caso I
• Caso II
CONCLUSIONES
ANÁLISIS DE RESULTADOSEjemplo de cálculo. Caso I: piso primero diáfano.
0
1
2
3
4
5
6
0 200 400 600 800 1000 1200
Losas
Q (kN)
(a) Estado 0
(b) Estado PB
(c) Estado 1
Factor = 1,8
Estado PB
Estado 1
Estado 0
Cortante Q por plantas
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INTRODUCCIÓN
METODOLOGÍA
RESULTADOS
• Ejemplo de cálculo
• Caso I
• Caso II
CONCLUSIONES
ANÁLISIS DE RESULTADOSEjemplo de cálculo. Caso II.
Con tabiquería (Estado 1)
Sin tabiquería (Estado 0)
Tabiquería fisurada (Estado 3)
Estados analizados. Nivel de daño.
Tabiquería fisurada (Estado 6)
Nivel de daño
‘d’
Estado
1
Estado
2
Estado
3
Estado
4
Estado
5
Estado
6
Piso 6 ‐ Piso 7 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
Piso 5 ‐ Piso 6 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
Piso 4 ‐ Piso 5 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
Piso 3 ‐ Piso 4 0.16 0.41 0.41 0.41 0.41 0.41
Piso 2 ‐ Piso 3 0.37 0.69 0.80 0.87 0.92 0.94
Piso 1 ‐ Piso 2 0.50 0.85 0.95 0.98 0.99 0.99
Cim. ‐ Piso 1 0.82 0.99 1.00 1.00 1.00 1.00
Deformada de la estructura
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INTRODUCCIÓN
METODOLOGÍA
RESULTADOS
• Ejemplo de cálculo
• Caso I
• Caso II
CONCLUSIONES
ANÁLISIS DE RESULTADOSEjemplo de cálculo. Caso II.
Cortante Q Estado 0 Estado 1 Estado 2 Estado 3 Estado 4 Estado 5 Estado 6
Losa 6 14,234 2,873 2,598 1,457 1,078 0,895 0,807
Losa 5 171,460 7,962 2,643 2,507 5,038 6,720 7,712
Losa 4 297,594 34,0631 30,266 13,740 9,167 7,973 7,754
Losa 3 395,323 48,728 61,305 52,421 35,122 18,811 6,467
Losa 2 475,143 69,091 122,715 148,858 180,846 247,457 317,398
Losa 1 543,807 69,184 110,942 255,491 478,456 573,390 590,252
Cimiento 592,599 123,832 511,703 827,824 797,696 757,932 739,372
0
1
2
3
4
5
6
0 200 400 600 800 1000
Losas
Cortante Qx (kN)
Estado 0
Estado 1
Estado 3
Estado 6
Nivel de daño Estado 1 Estado 3 Estado 6
Piso 6 ‐ Piso 7 0.00 0.00 0.00
Piso 5 ‐ Piso 6 0.00 0.00 0.00
Piso 4 ‐ Piso 5 0.00 0.00 0.00
Piso 3 ‐ Piso 4 0.16 0.41 0.41
Piso 2 ‐ Piso 3 0.37 0.80 0.94
Piso 1 ‐ Piso 2 0.50 0.95 0.99
Cim. ‐ Piso 1 0.82 1.00 1.00
Estado 1
Estado 0Cortante Q por plantas
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INTRODUCCIÓN
METODOLOGÍA
RESULTADOS
• Ejemplo de cálculo
• Caso I
• Caso II
CONCLUSIONES
CONCLUSIONES
Queda patente la importancia que tiene incluir en el modelo de cálculo el efecto de rigidización de la tabiquería sobre el sistema estructural:
Permite detectar automáticamente las irregularidades de rigidez en altura, que originan grandes esfuerzos en aquellos niveles más flexibles.
Estimar como se va a ir produciendo la fisuración y rotura progresiva de la tabiquería permite considerar diferentes modelos de cálculo sucesivos que aproximan mejor el comportamiento real de la estructura.
Por tanto, se consideran situaciones que no se tienen en cuenta en un cálculo estructural tradicional y que son más desfavorables para determinados elementos estructurales.
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Gracias por su atención.
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