tesisdegrado.pp.mariales

i

APLICACIÓN DE UNA METODOLOGÍA QUE CONSIDERE LA INTERACCIÓN

SUELO-ESTRUCTURA EN EL MODELO DE SISTEMAS APORTICADOS DE

ESTRUCTURAS REGULARES DE CONCRETO ARMADO.

TRABAJO ESPECIAL DE GRADO PRESENTADO ANTE LA ILUSTRE

UNIVERSIDAD DE CARABOBO, PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO

CIVIL

ii

UNIVERSIDAD DE CARABOBO

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL

TRABAJO ESPECIAL DE GRADO




TRABAJO ESPECIAL DE GRADO PRESENTADO ANTE LA ILUSTRE

UNIVERSIDAD DE CARABOBO, PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO

CIVIL

Elaborado por:

Rodriguez Rodriguez, Maria Alejandra

Rodriguez Vasseur, Maria Alejandra

Tutor:

Guanchez, Edinson

Bárbula, Mayo 2014.

iv

AGRADECIMIENTOS

Ante todo queremos agradecerle a Dios por permitirnos culminar esta etapa de nuestra

formación académica, guiándonos, dándonos fortaleza y salud.

A nuestros padres, Netty, Tona, Jesus, Antonio, y a nuestras hermanas, Dani, Triz y Nena,

por acompañarnos a lo largo de este camino y ser apoyo incondicional de comienzo a fin.

A nuestra Alma Mater, la Ilustre Universidad de Carabobo, por ofrecernos la oportunidad

de convertirnos en profesionales íntegros.

A nuestro tutor, Prof. Edinson Guanchez, por su entrega, aporte y dedicación en cada una

de las páginas de este trabajo. Infinitas gracias por todo el conocimiento compartido.

A los profesores Salvador Safina, Mila Sánchez y Miguel Fraino, por su valioso aporte para

la culminación de este trabajo.

A Edinson Barros, por siempre estar presente, apoyándonos y motivándonos a seguir

adelante con nuestro objetivo.

A nuestros amigos, compañeros de camino, con quienes compartimos alegrías,

desencuentros y el cotidiano vivir universitario.

v

DEDICATORIA

Dedicado a todas aquellas personas que como nosotras, emplean parte de su tiempo y en

unos casos de su vida, para avanzar en la búsqueda de este tema que a mucho nos apasiona,

como lo es la interacción suelo-estructura.

vi

UNIVERSIDAD DE CARABOBO.

FACULTAD DE INGENIERÍA.

ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL.

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

UNIVERSIDAD DE CARABOBO

ESTADO CARABOBO




Autor: Rodriguez R., Maria A.

Rodriguez V., Maria A.

Tutor: Guanchez, Edinson

Fecha:

RESUMEN

En los países con gran amenaza sísmica el análisis y modelado estructural se vuelve cada vez más

riguroso, por lo que los investigadores a nivel mundial buscan cada día que la representación de

estos modelos sea de la forma más acertada posible. Evidenciar los efectos de la interacción suelo-

estructura, es incorporar los efectos reales de rigidez y amortiguamiento del sistema reflejando el

comportamiento real que existe entre el conjunto: estructura, sistema de fundación y suelo de

apoyo. Actualmente en Venezuela la normativa sísmica no ha realizado grandes avances con

respecto a la incorporación de esta metodología, ya que la misma sólo hace referencia a la norma

estadounidense (NEHRP).

En base a la problemática a que nos enfrentamos surgió la siguiente interrogante: ¿Cómo aplicar

una metodología que considere la interacción suelo-estructura para el modelado de sistemas

aporticados de estructuras regulares de concreto armado?

La presente investigación realiza una comparación entre los resultados obtenidos haciendo uso de la

metodología tradicional, con la metodología que incorpora los efectos de interacción suelo-

estructura. En donde se concluyó, que la metodología recomendada por la normativa venezolana,

puede llegar a ser aún más conservadora que la nuestra. Puesto que no considera el

amortiguamiento en su totalidad, despreciando el amortiguamiento histerético propio del suelo. Esto

se puede ver reflejado en los espectros de respuesta que dieron como resultado de la aplicación de

dicha metodología, ya que los mismos arrojaron valores de ordenadas mayores que los obtenidos

por el análisis tradicional.

Por lo tanto, se recomienda que al incorporar los efectos de interacción suelo-estructura en el

análisis estructural, se tome en cuenta el amortiguamiento histerético propio del suelo, ya que

implementarlo puede llegar a ser de vital importancia con respecto al análisis sísmico estructural.

DESCRIPTORES: INTERACCIÓN SUELO-ESTRUCTURA, ESTRUCTURAS, SUELOS.

vii

INDICE GENERAL

Certificado de Aprobación........................................................................................... iii

Agradecimientos .......................................................................................................... iv

Dedicatoria.....................................................................................................................v

Resumen ...................................................................................................................... vi

Índice General............................................................................................................. vii

Índice de Tablas ........................................................................................................... xi

Índice de Figuras ....................................................................................................... xiii

INTRODUCCIÓN .........................................................................................................1

CAPITULO I .................................................................................................................5

EL PROBLEMA ........................................................................................................5

Planteamiento del Problema .......................................................................5

Formulación Del Problema ........................................................................7

Objetivos de la Investigación .....................................................................7

Objetivo General ........................................................................................7

Justificación ...............................................................................................8

Alcance y Limitaciones ..............................................................................9

CAPITULO II ..............................................................................................................11

MARCO TEÓRICO.................................................................................................11

ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN ......................................11

BASES TEORICAS .................................................................................16

Generalidades .......................................................................................................16

Fundamentos de dinámica de suelos ....................................................................17

Propiedades dinámicas de los suelos: ..................................................17

Modelo lineal y no-lineal del suelo para definir el comportamiento de carga

.....................................................................................................................18

Correlaciones para estimar parámetros del suelo .................................23

viii

Propiedades de la estructura .................................................................................29

Flexibilidad ..........................................................................................29

Rigidez .................................................................................................31

Vinculaciones .......................................................................................33

Sistemas de un grado de libertad. .........................................................35

Comportamiento de la estructura ante acciones sísmica ......................37

Desplazamiento: ...............................................................................38

Deriva. ..............................................................................................38

Fuerza Cortante Basal. .....................................................................38

Coeficiente sísmico ..........................................................................39

Espectro de respuesta .......................................................................40

Factor de reducción de respuesta. ....................................................42

Forma modal de vibración ...............................................................42

Métodos de análisis estructural ............................................................43

Análisis estático ...............................................................................43

Análisis dinámico .............................................................................45

Interacción suelo-estructura .................................................................................46

Métodos de análisis estructural evidenciando los efectos de interacción suelo

estructura .....................................................................................................49

Enfoque Directo: ..............................................................................50

Método de elementos finitos ........................................................50

Enfoque de la Subestructura: ...........................................................51

.Modelos Simplificados ...............................................................51

Análisis con modificación del espectro de respuesta ...................55

Aspectos críticos de la interacción suelo estructura .............................57

ix

Interacción cinemática .....................................................................57

Interacción inercial ...........................................................................58

Función de Impedancia ................................................................60

Caso General………………………………………………….60

Perfiles No Uniformes de Suelo…………………...…………64

Fundaciones Embebidas……………………………………...65

Fundaciones no circulares……………………………...……..67

Flexibilidad de la Fundación………………………...……….69

Pilotes………………………………………………..……….71

Formulación General de Veletsos y Meek (1974)……………72

Marco Normativo Legal .......................................................................81

COVENIN 1756-1:2001 ..................................................................81

NEHRP............................................................................................83

ATC-40. .......................................................................................84

FEMA 273....................................................................................84

FEMA 356....................................................................................85

FEMA 440....................................................................................86

Consideraciones para introducir los efectos de interacción suelo-estructura

en el análisis ………………………………………………………...87

Procedimiento para determinar el amortiguamiento de la fundación90

Procedimiento de linealización equivalente .........................97

Limitaciones en el análisis .................................................103

Definición de Términos .........................................................................105

CAPITULO III ..........................................................................................................109

MARCO METODOLÓGICO ................................................................................109

Consideraciones Generales ....................................................................109

Nivel y Diseño de la Investigación ........................................................109

x

Diseño de las Fases Metodológicas .......................................................110

Técnica de Recolección de datos ...........................................................113

Técnica de Análisis e Interpretación de los Datos .................................113

Capítulo IV.............................................................................................................115

RESULTADOS DE LA INVESTIGACION .........................................................115

Caracterización estructural de la edificación analizada por el Método

Tradicional. ....................................................................................................115

Caracterización estructural de la edificación analizada bajo los efectos de la

interacción Suelo-Estructura..........................................................................120

Modelación computacional en ETABS ..................................................121

Modelación por la Metodología Tradicional. .....................................................121

Modelación considerando los efectos de interacción suelo-estructura. .............122

Análisis y Diseño de la Estructura con la metodología tradicional según la

Norma COVENIN 1756-2001 Edificaciones Sismorresistentes. ..................122

Análisis evidenciando los efectos de Interacción Suelo-Estructura .......127

Caso M1-A: Aplicación de metodología sobre estructura apoyado en un semi-espacio

homogéneo de arena. ..........................................................................................128

Caso M1-B: Aplicación de metodología sobre estructura apoyado en un semi-espacio

homogéneo de arcilla. ........................................................................................139

Capítulo V..................................................................................................................149

ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS ...................................................................149

Análisis Comparativo de los Modelos Método Tradicional contra Modelos

tomando en cuenta los efectos de Interacción Suelo-Estructura. ..................149

CAPITULO VI ..........................................................................................................165

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ....................................................165

Conclusiones ..........................................................................................165

Recomendaciones ...................................................................................170

BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................171

xi

INDICE DE TABLAS

Tabla 4.1. Coordenadas del espectro de respuesta para los modelos a los cuales se les aplicó

el método tradicional. ................................................................................................117

Tabla 4.2. Valores de cortante y período para cada nivel “n” de los modelos a los cuales se

les aplicó el método dinámico espacial. ....................................................................120

Tabla 4.3. Litología semi-espacio homogéneo de arena ...........................................120

Tabla 4.4. Datos geológicos para semi-espacio homogéneo de arena. .....................122

Tabla 4.5. Características estructurales para edificación del Modelo 1. ...................122

Tabla 4.6. Coordenadas del espectro para modelo 1, sobre semi-espacio homogéneo de

arena...........................................................................................................................126

Tabla 4.7. Valores de cortante basal y período, para cada nivel “n” de los modelos sobre

semi-espacio homogéneo de arena, a los cuales se les aplicó los efectos de interacción

suelo-estructura. .........................................................................................................128

Tabla 4.8. Factores tomados en cuenta en el análisis que incorpora los efectos de

interacción suelo-estructura, para los tres modelos, apoyados sobre semi-espacio

homogéneo de arena. .................................................................................................129

Tabla 4.9. Litología semi-espacio homogéneo de arcilla. .........................................129

Tabla 4.10. Datos geológicos para semi-espacio homogéneo de arcilla. ..................130

Tabla 4.11. Características estructurales para edificación del Modelo 1 ..................131

Tabla 4.12. Coordenadas del espectro para modelo 1, sobre semi-espacio homogéneo de

arcilla. ........................................................................................................................134

Tabla 4.13. Factores tomados en cuenta en el análisis que incorpora los efectos de

interacción suelo-estructura, para los tres modelos, apoyados sobre semi-espacio

homogéneo de arcilla. ................................................................................................137

Tabla 5.1. Valores de período de la estructura diferenciado por modelo y metodologías.

...................................................................................................................................138

Tabla 5.2. Valores de relación de períodos ̅/T, diferenciado por modelo y por litologías de

suelo.. .........................................................................................................................139

Tabla 5.3. Factor de amortiguamiento total del sistema, , , diferenciado por nivel “n” y

por metodología aplicada...........................................................................................140

xii

Tabla 5.4. Factor de amortiguamiento de la estructura, diferenciado por modelo, con la

aplicación de la metodología que incorpora los efectos de interacción suelo estructura141

Tabla 5.5. Factor de amortiguamiento por radiación de ondas del suelo, βf, diferenciado por

modelo, con la aplicación de la metodología que incorpora los efectos de interacción suelo

estructura ...................................................................................................................141

Tabla 5.6. Valores de corrección B(βo) de corrección de los espectros de respuestas

generados al aplicar los efectos de interacción suelo-estructura ...............................143

Tabla 5.7. Cortante basal de los modelos, diferenciado por niveles”n” y por metodología

...................................................................................................................................147

Tabla 5.8. Valores de desplazamiento lateral máximo para los casos de estudio.…161

xiii

INDICE DE FIGURAS

Figura 2.1. Curva tensión – deformación típica de un ensayo triaxial no consolidado no

drenado. Fuente: Lambe y Whitman (1993). ...............................................................20

Figura 2.2. Curva de histéresis deformación de corte γ-tensión de corte τ, y definición del

módulo de corte máximo (Gmax), tangente (Gtan) y secante (Gsec). La tensión τ se expresa

en kPa y la deformación γ es adimensional y se expresa en%. Nota: Rodríguez, (2005). 21

Figura 2.3. Modelo hiperbólico no-lineal del suelo para definir el comportamiento de carga

y descarga (Schanz et al., 1999). Fuente:

http://repositorio.uc.cl/xmlui/bitstream/handle/123456789/1867/550935.pdf?sequence=1

.....................................................................................................................................22

Figura 2.4. Curva de reducción de módulo de corte normalizado en arenas (Seed e Idriss,

1970). Fuente: http://www.ing.unlp.edu.ar/estruc3b/flr.pdf. .......................................25

Figura 2.5. Curva de razón de amortiguamiento en arenas (Seed e Idris, 1970). Fuente:

http://www.ing.unlp.edu.ar/estruc3b/flr.pdf. ...............................................................26

Figura 2.6. Curva de reducción de módulo de corte normalizado según índice de

plasticidad (Vucetc y Dobry, 1991). Fuente: http://www.ing.unlp.edu.ar/estruc3b/flr.pdf.

.....................................................................................................................................27

Figura 2.7. Curva de razón de amortiguamiento según índice de plasticidad (Vucetic y

Dobri, 1991). Fuente: http://www.ing.unlp.edu.ar/estruc3b/flr.pdf. ...........................28

Figura 2.8. Ejemplo estructura. Nota: Rodríguez y Rodríguez, 2013.........................29

Figura 2.9. Aplicación de Carga a la estructura. Fuente:

http://www.ing.unlp.edu.ar/estruc3b/flr.pdf ................................................................29

Figura 2.10. Superposición de cargas. Fuente: http://www.ing.unlp.edu.ar/estruc3b/flr.pdf

.....................................................................................................................................30

Figura 2.11. Ejemplo estructura. Fuente: http://www.ing.unlp.edu.ar/estruc3b/flr.pdf31

Figura 2.12. Estructura en estado de carga. Fuente:

http://www.ing.unlp.edu.ar/estruc3b/flr.pdf ................................................................32

Figura 2.13. Superposición de cargas. Fuente: http://www.ing.unlp.edu.ar/estruc3b/flr.pdf

.....................................................................................................................................33

Figura 2.14. Vínculos rígidos. Nota: Rodríguez y Rodríguez, 2013. .........................34

xiv

Figura 2.15. Oscilador simple de 1 grado de libertad. Nota: Rodriguez y Rodriguez, 2013.

.....................................................................................................................................36

Figura 2.16. Grados de libertad dinámicos. Nota: Rodriguez y Rodriguez, 2013. .....37

Figura 2.17. Principios de ingeniería estructural en zonas sísmicas. Fuente:

http://www.angelfire.com/nt/terremotos/ingenieriaestructural.html ...........................42

Figura 2.18. Curva típica esfuerzo-deformación para el concreto bajo compresión, y puntos

para definir el módulo de elasticidad según ASTM C-469. Fuente:

http://www.elconstructorcivil.com/2011/01/concreto-modulo-de-elasticidad.html....44

Figura 2.19. Modificación del movimiento del campo libre. Fuente: Soriano (1989)47

Figura 2.20. Modificación del movimiento del campo libre debido a la presencia de

estructuras. Fuente: Soriano (1989). ............................................................................47

Figura 2.21. Equivalencia del sistema de fundación para el análisis estructural. Nota:

Safina (2012). ..............................................................................................................53

Figura 2.22. Representación de las componentes de rigidez. Nota: Casadey, Rosanna

(UCLA). .......................................................................................................................54

Figura 2.23: Esquema que muestra los efectos del período de alargamiento y la Fundación

de amortiguación en el diseño espectral con aceleración utilizando una forma suavizada del

espectro. Se puede aumentar o disminuir debido a los efectos de la interacción suelo-

estructura. Realizado por Stewart et al (1999). Nota: modificado de Safina (2012). ..57

Figura 2.24. Resortes y amortiguadores equivalentes del suelo. Fuente:

http://www.smis.org.mx/rsmis/n79/FernandezAviles.pdf ...........................................59

Figura 2.25 Rigidez de fundaciones y factores de amortiguamiento para un semi-espacio

elástico y viscoelástico, ν= 0,4 (después de Veletsos y Verbic, 1973). Fuente: modificado

de Stewart et al (1998). ................................................................................................64

Figura 2.26. Rigidez de fundaciones y factores de amortiguamiento para fundaciones

rígidas cilíndricas embebidas en un semi-espacio, aproximación vs solución por Apsel y

Luco (1987). Fuente: modificado de Stewart et al (1998). ..........................................67

Figura 2.27. Coeficientes de amortiguadores para amortiguación rotacional en radiación vs.

Frecuencia para fundaciones de diferentes formas. (Dobry y Gazetas, 1986). Fuente:

modificado de Stewart et al (1998)..............................................................................69

xv

Figura 2.28. Rigideces rotacionales y factores de amortiguamiento para fundaciones

flexibles; caso de núcleo rígido (Iguchi y Luco, 1982) y caso de muro perimetral (Liou y

Huang, 1994). Fuente: Stewart et al (1998).................................................................71

Figura 2.29. Modelo Simplificado para el análisis de interacción inercial. (Veletsos y

Meek, 1974). Fuente: Stewart et al (1998). .................................................................72

Figura 2.30. Relación de alargamiento del período para una estructura de un grado de

libertad con fundación circular rígida sobre un semi-espacio viscoelástico. (ν=0,4; =1,5)

[Veletsos y Nair, 1975]. Fuente: Stewart et al (1998). ................................................75

Figura 2.31. Factores de amortiguamiento de la fundación para una estructura de un grado

de libertad con fundación circular rígida sobre un semi-espacio viscoelástico. (ν=0,4;

=1,5) [Veletsos y Nair, 1975]. Fuente: modificado de Stewart et al (1998). ..............76

Figura 2.32. Comparación de las relaciones de alargamiento del período y factores de

amortiguamiento de fundación para una estructura de un grado de libertad con fundaciones

superficiales y embebidas (ν=0,45; =1,5; =5%) [Veletsos y Nair,1975; Bielak, 1975;

Aviles y Perez-Rocha, 1996]. Fuente: modificada de Stewart et al (1998).................78

Figura 2.33. Sistemas de Fundación. Fuente: Safina (2012) ......................................79

Figura 2.34. Medios de Fundación. Fuente: Safina (2012).........................................80

Figura 2.35. Suposiciones de modelado de fundaciones. Nota: modificado del FEMA 440

(2005)...........................................................................................................................87

Figura 2.36. Representación del comportamiento de estructuras al momento de un sismo

con respecto a su esbeltez. Nota: SAFINA, (2012) .....................................................93

FIGURA 2.37. Espectro de respuesta aceleración-desplazamiento, ilustrando los

parámetros de periodo y amortiguamiento efectivo para un sistema lineal equivalente, a lo

largo de una curva de capacidad. Nota: modificado del FEMA 440 (2005) ...............98

Figura 2.38. Coeficientes de amortiguamiento, B, como una función del amortiguamiento

. Nota: modificado del FEMA 440 (2005). ......................................................103

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