Etiquetas: Diseño Sismo Resistente
DETERMINACIÓN DE LAS CARGAS SÍSMICAS: Pesos y cargas a considerar para la determinación de las solicitaciones por sismo. Clasificación de los edificios según el destino y el tipo estructural. Vinculación en planta de los distintos elementos resistentes. Ductilidad de la estructura. Influencia del terreno en la importancia de las cargas por sismo. Métodos para calcular el Periodo Propio. Coeficiente Sísmico. Corte sísmico en la base. Distribución del corte sísmico en altura. Vuelco. Torsión en planta. Método estático. Conceptos sobre análisis modal.
Los items que se indican a lo largo del texto corresponden a los del Código de Construcciones Sismoresistentes de la Provincia de Mendoza.
Cálculo del Peso del Edificio:
El sismo tiene la característica de producir aceleraciones instantáneas, aceleraciones que generan grandes fuerzas, y que afectan a los componentes de la estructura del edificio de modo diferente a la acción de las cargas gravitatorias.
Estas fuerzas sísmicas dependen linealmente de la masa del edificio y se expresan con la fórmula:
F = M x A donde es:
F = fuerza inducida por la aceleración
A = aceleración producida por el sismo
M = masa del edificio
Por este motivo es necesario conocer el peso del edificio, que incluye el peso de la estructura, cierres, pisos, revestimientos, etc. Debe considerarse el peso de todo lo fijado permanentemente al edificio.
Las cargas móviles se computan en un porcentaje del total de sobrecarga prevista para el análisis estático. Los porcentajes a usar, según el tipo de sobrecarga, están definidos en el Código de Construcciones Sismo Resistentes.
El peso se calcula piso por piso, computando el peso del entrepiso (losa), vigas, la mitad de la longitud de los tramos de columnas sobre y bajo cada entrepiso, como se indica en las figuras.
Computados los volúmenes de los componentes fijos del edificio, estructurales o no, multiplicados por los pesos específicos, se obtiene el peso del edificio. A este peso debe sumarse la sobrecarga reglamentaria según el código, que se incluye en el análisis de las cargas sísmicas.
Resumiendo, el peso a considerar está compuesto por:
* peso estructura
* peso muros, tabiques divisorios, cierres.
* peso pisos y revestimientos
* peso de otros elementos fijos (maquinarias, etc. )
* peso agua en depósitos de reserva.
* porcentaje sobrecarga según código.
En los edificios comunes, es suficiente agrupar las cargas en los niveles de entrepisos. Se incluirá el peso propio del entrepiso, muros y otros elementos existentes en su zona de influencia (ver figura)
El centro de gravedad del conjunto se supondrá ubicado en el plano del entrepiso.
El peso de cada entrepiso se calcula con:
Qi = Gi + p x Pi siendo:
Qi = Peso total del piso.
Gi = carga permanente que actúa en el piso.
Pi = carga accidental que actúa en todo o en parte del entrepiso.
p = coeficiente de participación de la sobrecarga accidental.
Los valores del coeficiente [p] son: ( ítem 4.5.2.1)
p = 0 para azoteas y techos inaccesibles
p = 0,25 para locales donde no es usual la aglomeración de personas o cosas.
(Edificios de departamentos u oficinas, hoteles, etc.)
p = 0,50 para locales donde es usual la aglomeración de personas o cosas.
(Templos, museos, bibliotecas, cines, teatros, etc.)
p = 1 Tanques de agua, silos y otro tipo de recipiente
Distribución de los Cortes Sísmicos
Etiquetas: Diseño Sismo Resistente
Distribución de los Cortes Sísmicos: conceptos de los métodos y análisis usados para distribuir las fuerzas generadas por el sismo en una estructura. Enumeración de los métodos y descripción conceptual. Elementos sismo resistentes, pórticos, tabiques y triangulaciones. Descripción y funcionamiento. Materiales usados en las estructuras antisísmicas. Especificaciones constructivas. Dimensiones y armaduras mínimas exigidas por las normas. Juntas y linderos. Especificaciones para fundaciones.
Distribución de los Cortes Sísmicos:
Las cargas sísmicas que actúan sobre un edificio deben ser distribuidas entre los elementos estructurales que lo componen. Si bien en el cálculo de las acciones que el sismo produce en el edificio se considera a este como un conjunto, para dimensionar y verificar la estructura completa se debe analizar componente por componente.
Los componentes estructurales de un edificio son:
Vigas
Columnas
Tabiques antisísmicos ( Muros Sismo Resistentes )
Pórticos Arriostrados.
Bases.
Los materiales estructurales usados son:
Hormigón Armado.
Hormigón pretensado.
Acero.
Mampostería.
Mampostería reforzada.
La combinación de los elementos enumerados con el material estructural seleccionado, mas el tipo del terreno de fundación integran globalmente la estructura del edificio. Si bien el análisis se hace para el edificio en conjunto no debe descuidarse la verificación y construcción de cada componente estructural.
Diseñar las uniones en los nudos y los detalles constructivos de un edificio antisísmico es tan importante como verificar el comportamiento dinámico de la estructura en su conjunto. Si la resistencia y ductilidad de las uniones no son adecuadas y los detalles no son los correctos, seguramente la estructura no funcionará ante un sismo como se proyectó.
El diseño de la estructura debe ser tal que satisfaga la condición:
Coeficiente de reducción x Resistencia teórica > Cargas de diseño
La resistencia teórica es la que se alcanza determinando la resistencia última de las secciones y de los elementos estructurales. El coeficiente de reducción es el factor con el que se consideran disminuciones en la calidad de la estructura, que pueden ser originadas por:
Errores en los cálculos.(*)
Diseño inadecuado de la estructura.
Materiales que no cumplen con la calidad esperada.
Variaciones en las dimensiones de los elementos estructurales.
Modificaciones menores o previstas.
Cambio de destino del edificio o de algunos locales.
(*) Sobre este tema recomendamos el libro “Como evitar los errores en los proyectos de hormigón armado” de Pierre Charon , Editores Técnicos Asociados. Cubre temas tales como: errores en la posición de las armaduras, errores relativos a la aplicación de fórmulas, errores relativos a las mediciones, etc.
La estructura monolítica de hormigón armado es uno de los sistemas constructivos más populares en el mundo. Se han obtenido considerables progresos en los códigos y en el uso de este sistema estructural, en base a la experiencia de los sismos sucedidos a lo largo de las últimas decadas. Así, se ha logrado disminuir sustancialmente los daños en edificios sometidos a terremotos en años recientes. Se recomienda que el diseño respete las siguientes reglas:
La estructura debe tener ductilidad y una gran capacidad de disipación de energía.
Las vigas deben alcanzar la fluencia antes que las columnas.
La falla por flexión debe presentarse antes que la falla por corte.
Las resistencia de los nudos debe ser mayor que la de los elementos que unen.
Para cumplir con las estas reglas en Código de Construcciones Sismo Resistentes de Mendoza exige cumplir con las siguientes exigencias:
Anclajes y Empalmes de Armaduras ( 7.1.1 )
Se deben utilizar ganchos en todo anclaje y empalme de armaduras de los elementos que forman la estructura resistente a las fuerzas sísmicas, tanto en la estructura principal como en las partes de la construcción. Normalmente no es necesario el uso de ganchos en las armaduras de las losas.
Las longitudes de empalme o anclaje previstas en CIRSOC 201 se mayoran 10% en las armaduras solicitadas por combinación de acciones que incluyen sismo.
Esfuerzo de Corte Último ( 7.1.2.1 )
La capacidad a corte de cualquier pieza estructural debe ser 1,25 veces mayor que el esfuerzo de corte necesario para alcanzar la capcidad a flexión de todas las secciones en que puedan formarse rótulas plásticas.
Para determinar la capacidad a flexión se deben considerar las armaduras realmente colocadas. Se exceptuan las piezas incluidas en el punto 7.1.3.4 . ( Caso de barras poco esbeltas )
Tensión tangencial última ( 7.1.2.2 )
La tensión tangencial máxima no debe sobrepasar el valor 1,75.t03 para los estados de solicitación que incluyen la acción sísmica. t03 es la tensión tangencial límite según CIRSOC 201. Los límites establecidos por las tensiones t01 y t02 no se modifican.
Métodos y análisis usados para distribuir las fuerzas generadas por el sismo
Toda edificio tiene una estructura tridimensional, por ello los esfuerzos debidos a las cargas sísmicas y gravitatorias actúan en las tres dimensiones. En la práctica, salvo raras excepciones, ocurre que los esfuerzos más importantes para cada elemento estructural solo están contenidos en un plano, como vemos en el caso de un portico o un tabique antisísmico. Entonces, y para dimensionar los elementos estructurales, necesitamos conocer el porcentaje de las solicitaciones sísmicas que corresponden a cada componente resistente al sismo.
Elementos Finitos
Las estructuras de edificios son tridimensionales y pueden analizarse como tales mediante el método de los elementos finitos, que permite representar losas, vigas, columnas, muros, diagonales, etc. empleando diferentes tipos de elementos. Existen programas comerciales de computadora que cuentan con buenas herramientas gráficas para preparar datos e interpretar los resultados. Sin embargo esta no es una práctica común porque surgen varias dificultades: a) es muy grande el número de ecuaciones necesarias para representar un edificio completo, en especial si es de varios pisos; b) la cantidad de datos que hay que proporcionar y su organización aumentan las posibilidades de cometer errores; c) incluso con las actuales ayudas gráficas de los programas es dificil interpretar los resultados, que en muchos programas son dadas en tensiones de compresión o tracción y no como fuerzas y momentos que son las cifras de uso común en el diseño y verificación de elementos estructurales.
Los análisis con elementos finitos se reservan para estructuras muy importantes ( y aún en estos casos con simplificaciones ) o a partes limitadas de edificios de características inusuales.
Elementos sismorresistentes, pórticos, tabiques y triangulaciones. Descripción y funcionamiento.
Sus características y funcionamiento se describan a continuación:
DIAFRAGMAS
Son los elementos horizontales que actúan distribuyendo las fuerzas laterales entre elementos resistentes verticales (tabiques resistentes al cortante o pórticos). En la práctica están formados por los entrepisos, de losas de hormigón armado, macizas o aligeradas. El diafragma debe tener la capacidad de trasmitir las fuerzas horizontales sin deformarse, en los análisis teóricos y numéricos de la Teoría de las Estructuras se adopta como hipótesis que es indeformable, obligando a todos los elementos verticales a tener el mismo desplazamiento en cada piso. En este caso, se supone que el diafragma es infinitamente rígido. En los entrepisos de hormigón armado la aproximación es buena y los resultados obtenidos son satisfactorios, no así cuando las losas son delgadas y existe el peligro que colapsen por pandeo. Las cargas que actúan en los entrepisos paralelas a su plano son del orden de centenares de toneladas para un edificio de seis o siete pisos. Cuando un diafragma está esta formado por una losa de poco espesor o formado por un entrepiso compuesto, para una estructura metálica, su comportamiento depende en parte de su tamaño y su material. La flexibilidad del diafragma, relativa a los tabiques resistentes al cortante cuyas fuerzas está transmitiendo, también tiene una influencia importante sobre la naturaleza y magnitudes de estas fuerzas.Las vigas de los pórticos y las que unen columnas y tabiques actúan como colectores que conducen las fuerzas horizontales del entrepiso a los elementos verticales. Cuando el entrepiso se mueve, los elementos verticales se oponen absorbiendo así las cargas sísmicas.
PÓRTICOS
Conocemos como pórticos a una combinación de columnas y vigas, generalmente horizontales que tienen los extremos restringidos (restringe los tres grados de libertad en el plano, funciona como un empotramiento). Capaces de soportar cargas verticales y horizontales. Se construyen de hormigón armado, acero o madera. En estructuras con alto grado de hiperestaticidad, con un gran número de nudos con capacidad de plastificarse generando rótulas, que actúan como fusibles disipando la energía que el sismo induce en la estructura. Son estructuras más dúctiles que los otros tipos estructurales y su trabajo es de flexión. El pórtico es más flexible que el tabique y por consecuencia se deforma más. En edificios de altura, las secciones de estos elementos disminuyen desde los pisos inferiores a los pisos superiores. En algunos casos, responden a una necesidad estructural del diseño, ya que permiten aberturas. Si comparamos el comportamiento de pórticos resueltos de un tramo y dos tramos, para cargas verticales y horizontales, se observa que si las cargas sísmicas son más importantes conviene la solución de un tramo, en tanto que si predominan las cargas verticales conviene la solución de dos tramos.
Funciones de vulnerabilidad calculadas para edificaciones en muros de hormigón reforzado
Etiquetas: Vulnerabilidad Sismica
En el desarrollo de los planes de ordenamiento territorial (POT) de las ciudades, se debe involucrar lo correspondiente a los escenarios de daño debido a amenazas naturales; y dentro de ello lo relacionado con los sismos es de gran importancia. Por consiguiente, es fundamental contar con estudios que permitan conocer el grado de daño que pueden alcanzar las edificaciones ante la acción de un sismo. De esta manera se puede planificar el desarrollo urbano, mitigar el riesgo y preparar a la comunidad para responder ante una amenaza sísmica.
Dentro de la estimación del daño se deben establecer las diferencias entre las distintas tipologías estructurales que existen en las edificaciones de una ciudad. En la actualidad el sistema de muros estructurales de hormigón es uno de los sistemas estructurales más usados en las ciudades colombianas; sin embargo, es uno de los menos considerados en este tipo de estudios. De aquí la importancia de investigar, y proponer modelos que estimen los niveles de daño que pueden alcanzar las edificaciones correspondientes a este sistema estructural, cuando ocurre un terremoto.
Independiente del sistema estructural los modelos para evaluar la vulnerabilidad; generalmente, cuantifican el daño a través de un índice de daño, el cual se determina bien sea por medio de las funciones de vulnerabilidad o por medio de las matrices de probabilidad de daño. Las principales metodologías usadas para la construcción de las funciones y las matrices, básicamente difieren en los datos, dado que pueden ser experimentales, analíticas o estar basadas en observaciones de campo o en la opinión de expertos. En el caso de la aplicación a ciudades colombianas, en las cuales no se cuenta con datos de daños sísmicos reales, ni con información experimental, se debe pensar en modelos aplicables a nuestros medios superando las deficiencias de la información. Por consiguiente, para superar este inconveniente se propone un modelo que considere las características de las edificaciones del entorno colombiano y que se base en opinión de expertos.
De esta forma, el presente trabajo ofrece un modelo de evaluación de la vulnerabilidad sísmica de edificaciones construidas con muros de hormigón reforzado basado en funciones de vulnerabilidad, las cuales involucran aspectos estructurales y constructivos del medio colombiano.
2. Funciones de vulnerabilidad
Una función de vulnerabilidad es una relación matemática que expresa de forma continua el daño que puede sufrir un tipo específico de estructura, cuando se somete a una solicitación sísmica de determinado nivel. Las funciones de vulnerabilidad se deducen por medio de una regresión estadística de los datos de daño observados o generados artificialmente. Una de sus principales variantes la constituyen las funciones de vulnerabilidad que relacionan un índice de vulnerabilidad con un índice de daño, condicionado por un parámetro que describe el movimiento del terreno; este parámetro puede ser la aceleración máxima Aa, o una de las escalas de intensidad sísmica, tales como MSK y MMI.
Las funciones de vulnerabilidad pueden ser calculadas o definidas a través de datos observados (Caicedo et al., 1994). Las observadas se basan en información existente de registros de daño debidos a sismos, a diferencia de las calculadas, que dada la falta de esta información, simulan las características de las edificaciones para evaluar el daño.
Trabajos anteriores realizados (Maldonado et al., 2008 a, b y Maldonado y Chio, 2009) proponen funciones para las edificaciones de mampostería, de hormigón en sistema pórtico y de tierra. En el documento WP4 (Milutinovic y Trendafiloski, 2003) se presentan matrices de probabilidad de daño para edificaciones de muros en hormigón.
3. Metodología para la construcción de las funciones de vulnerabilidad
El procedimiento realizado para la definición de la función de vulnerabilidad en el presente trabajo, se basó en un análisis del comportamiento de las edificaciones ante la acción de un terremoto, a través del modelamiento estructural de una muestra representativa de las edificaciones de la ciudad de Bucaramanga en Colombia, realizando el siguiente procedimiento:
a) Recolección de información sobre aspectos arquitectónicos y estructurales a partir de planos estructurales y de visitas de campo.
b) Identificación de los parámetros que más influyen en la vulnerabilidad sísmica de estas edificaciones.
c) Generación de modelos a partir de la información recopilada. Algunos modelos fueron denotados como reales dado que dependieron totalmente de la información de los planos y otros se llamaron hipotéticos o simulados debido a que fueron construidos variando algunas características de los reales. De esta forma se pretendió representar la variación de las características de las edificaciones de este tipo estructural.
d) Cuantificación de la vulnerabilidad de cada edificación a través de un índice de vulnerabilidad a partir de la adaptación de la metodología propuesta por Benedetti y Petrini (1984).
e) Análisis no lineal de cada modelo, incorporando las rotulas de cortante y la interacción momento - carga axial.
f) Cálculo de un índice global de daño para cada edificación, ante diferentes solicitudes sísmicas, utilizando la metodología propuesta en el WP4 (Milutinovic y Trendafiloski, 2003).
g) Relación de los valores del índice de vulnerabilidad con el índice de daño para cada acción sísmica definida, y con ellos definición de las funciones de vulnerabilidad.
4. Muestra de edificaciones para la construcción de funciones
La muestra sobre la que se construyeron las funciones de vulnerabilidad la conformaron 38 edificaciones construidas en muros de hormigón, 32 corresponden a reales y 6 definidas a partir de las reales, las cuales se les llamó hipotéticas o simuladas; ver Tabla 1. En esta tabla se identifica cada una por un número y se indica el tipo de modelo generado; el real es elaborado a partir de información existente de planos y complementado con visitas de campo, el hipotético es simulado a partir de uno real con variaciones de sus propiedades. A su vez, en la tabla se describe el periodo de construcción de la edificación de manera que ofrezca una indicación acerca del código de construcción utilizado en su diseño y construcción, el número de pisos y el área en planta.
Tabla 1. Muestra de edificaciones de muros de hormigón
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