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Un Un buenbuen disediseññoo conceptual conceptual comocomo requisitorequisito parapara un un buenbuen comportamientocomportamiento
estructuralestructural
Amador Terán Gilmore
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ANTECEDENTES
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La función del ingeniero estructural, comprende la obligación de satisfacer las cada vez más complejas necesidades y expectativas que surgen de la construcción de obras de ingeniería civil.
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Sismo de Northridge: Hospital VSA
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Sismo de Northridge: Hospital Olive View
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Esta problemática ha sido enfatizada por lasgrandes pérdidas económicas y humanasocurridas durante eventos sísmicos recientes.
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• Consideración parcial del desempeño de estructuras estándar
• Bases poco sólidas para el diseño de estructuras especiales
• No acomodan avance tecnológico
Problemática con formatos actuales de diseñosísmico:
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Se requiere un enfoque integral de control de daño:
Estructura = Sistema estructural + Sistema noestructural + Contenido
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GENERALIDADES DEL DISEÑO
SÍSMICO
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DEMANDA SÍSMICA ≤ CAPACIDAD SÍSMICA
de de
Resistencia ResistenciaRigidez Rigidez
Capacidad de Capacidad deDeformación Deformación
Disipación extrade energía
Disipación extrade energía
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El nivel de daño o de degradación que sufren los elementos estructurales, no estructurales y el contenido, dependen de los valores del desplazamiento (deformación plástica), velocidad y aceleración lateral.
Un menor nivel de respuesta implica menornivel de daño
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Elementos no estructurales: control de desplazamiento lateral
Elementos estructurales: control de desplazamiento lateral
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Contenido: Control de aceleración y velocidad
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Turquía, 0.35 g
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Turquía, 0.70 g
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Las características mecánicas de la estructura deben proporcionarse para controlar y acomodar, dentro de límites técnicos y económicos aceptables, su respuesta dinámica durante las excitaciones sísmicas de diseño
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Con sistemas estructurales tradicionales es posible controlar la demanda de desplazamiento lateral (daño estructural y no estructural), mientras que el control razonable de la velocidad y la aceleración solo es posible por medio de sistemas innovadores (daño en contenido).
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Las nuevas tendencias de diseño sísmico, demandan del ingeniero estructural el manejo explícito de las característicasmecánicas de diferente tipo de sistemasestructurales (tradicionales o innovadores), con el fin de controlar adecuadamente la respuesta dinámica de la estructura.
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CONTROL DE LA RESPUESTA
SÍSMICA
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Integridad Estructural
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Es necesario generar sistemas estructurales que sean capaces de resistir las excitaciones sísmicas severas mediante un mecanismo estable:
Cortante Basal
Desplazamiento
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Dinámica estructural
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• Bases para explicar la respuesta sísmica de las estructuras sismorresistentes (amplificación o deamplificación)
• Herramientas para estimar las demandas sísmicas• Control de la respuesta estructural
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0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 1 2 3 4
T (seg)
Sa
μ = 1
μ = 3
B
C
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 1 2 3 4
T (seg)
Sa
μ = 1
μ = 3
B
C
0
25
50
75
100
125
150
0 1 2 3 4T (seg)
Sd
μ = 1
μ = 3
B
C
0
25
50
75
100
125
150
0 1 2 3 4T (seg)
Sd
μ = 1
μ = 3
B
C
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• El control de la respuesta sísmica requiere de la selección juiciosa de las características mecánicas de una estructura
• Un incremento arbitrario de las capacidades sísmicas, puede llevar a un desempeño sísmicoinadecuado
• Un espectro de respuesta, es una fuente de información cuantitativa y cualitativa
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Control, control y máscontrol
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Sistema Estructural Distorsión de entrepisoque inicia daño
Distorsión de entrepisopara daño total
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Sistema No Estructural Distorsión de entrepisoque inicia daño
Distorsión de entrepisopara daño total
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A veces, el control de daño no-estructural imponerestricciones mas severas al diseño que al aspectoestructural:
Fuerza
Distorsión0.002 0.007
0.020
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DISEÑO POR DESEMPEÑO
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FASE CONCEPTUAL
FASE NUMÉRICA
IMPLANTACIÓN
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LA FASE CONCEPTUAL
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Cortante Basal
Desplazamiento
OperaciónCompleta
ESTADOS LÍMITE
δu
δmaxOC
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Cortante Basal
Desplazamiento
Operación
ESTADOS LÍMITE
δu
δmaxO
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Cortante Basal
Desplazamiento
Seguridad de Vida
ESTADOS LÍMITE
δu
δmaxSV
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Cortante Basal
Desplazamiento
Colapso Incipiente
ESTADOS LÍMITE
δu
δmaxCI
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Cortante Basal
Desplazamiento
Operación-Sismo Ocasional
δmaxO
δmaxO
Cortante Basal
Desplazamiento
Seguridad-Sismo Raro
δmaxSV
δmaxSV
Cortante Basal
Desplazamiento
Colapso-Sismo Muy Raro
δmaxCIδmax
CI
Cortante Basal
Desplazamiento
Op. Completa-Sismo Frecuente
δmaxOC
δmaxOC
Objetivos de diseño para estructura de ocupación estándar
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DESEMPEÑO
INACEPTABLE
OperaciónCompleta
OcupaciónInmediata
Seguridadde Vida
ColapsoIncipiente
Frecuen te
Ocasional
Raro
Muy raro
CriterioDesemp.
NivelSísmico
Estructuras de Ocupación Estándar
Estructuras Esenciales/Peligrosas
Estructuras Críticas
Operación
Inde
finic
ión
Esfuerzo mayor
Objetivos de Diseño
Esfuerzo Reciente
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Algunos estudios sugieren, que el costo total de una estructura tiende a ser mas bajo cuando se restringe el nivel aceptable de daño para excitacionessísmicas severas.
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LA FASE NUMÉRICA
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El ingeniero estructural debe establecer las características mecánicas de la estructura que le permitan controlar y acomodar la respuesta dinámica dentro de límitesaceptables. Lo anterior le hace posiblecontrolar el nivel de daño o de degradación en elementos estructurales, elementos no estructurales y en el contenido, de acuerdo al desempeño deseado.
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Planteamiento PEER
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INNOVACIÓN: RESPUESTA
SÍSMICA DE LAS EDIFICACIONES DE
MAMPOSTERÍA
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Vmáx
Vagr
Vult
DIagr DImáx DIult
K0
Agrietamiento del murola mampostería.
Cortante máximo en elmuro de mampostería.
Cortante último en elmuro de mampostería.
Las propiedades utilizadasen el análisis, son tomadas de
muros aislados
Envolvente decomportamiento
histerético.
β = 12
P
D oblem enete E m p otrad o
Δ
13 −
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+=
GAh
EIhKo β
Relaciones carga deformación de elementos de mampostería.
Modelo analítico (Flores-Alcocer, 1995) Mampostería confinada sin
refuerzo horizontal. Mampostería confinada con
refuerzo horizontal.
RDFagr VV = HK
VDI
o
agragr = URDFagr VV =
HKV
DIo
agragr =
agrVV 25.1max = 003.0max =DI agrVV 5.1max = 006.0max =DI
agrult VV 8.0= 005.0=ultDI agrult VV 1.1= 01.0=ultDI
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Componente de deformación que controla la respuesta.
Los muros de mampostería de estructuras destinadas a vivienda, tienden a exhibir un comportamiento dominado por corte.
Después del agrietamiento diagonal, la respuesta de la mampostería es controlada por deformaciones de corte.
13 −
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+=
GAh
EIhKo β
DES
. / D
ES. T
OTA
L
1
0.8
0.0
0.2
0.4
0.6
1 4 7 10 13CICLO
agrietamiento diagonal.
FLEXIÓN
CORTE
b) MURO ACOPLADO.DEFLEXIÓN
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Análisis no lineal de las estructuras de mampostería.25
0cm
240 cm 100 cm 160
250
cm
250 cm
250
cm25
0cm
MUROS EN EL PLANO DE CARGA MUROS CABECEROS
COLUMNA ANCHA
VIGA DEACOPLAMIENTO
COLUMNA ANCHA
COLUMNA ANCHA
COLUMNA ANCHA
SECCIONES INFINITAMENTERIGIDAS.
ARTICULACIONES CON LASPROPIEDADES A CORTE DEL
MURO
Modelo 3D (Alcocer, 1993)
El modelo de columna ancha da resultados razonables en el modelado analítico de lasestructuras de mampostería.
Sin embargo, las propiedades de las columnas que modelan los muros deben contemplar el comportamiento no lineal de la mampostería.
Vmáx
Vagr
Vult
DIagr DImáx DIult
K0
Agrietamiento del murola mampostería.
Cortante máximo en elmuro de mampostería.
Cortante último en elmuro de mampostería.
Las propiedades utilizadasen el análisis, son tomadas de
muros aislados
Envolvente decomportamiento
histerético.
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-60
-45
-30
-15
0
15
30
45
60
-0.6% -0.5% -0.4% -0.3% -0.2% -0.1% 0.0% 0.1% 0.2% 0.3% 0.4% 0.5% 0.6%
DI(%)
Cor
tant
e B
asal
(Ton
)
Resultados analiticos
Resultados experimentales (+)
Resultados experimentales (-)
A partir de una análisis estático no lineal bajo desplazamiento lateral monótonamente creciente, es posibleestimar la curva de capacidad de las estructura.
Análisis no lineal de las estructuras de mampostería.
El análisis debe contemplarel comportamiento local y global de la estructura.
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Análisis no lineal de las estructuras de mampostería.
Mientras que los resultados del análisispushover permiten establecer una relaciónentre la demanda de desplazamiento global de la estructura y el nivel de daño en la misma, la demanda de desplazamiento de la estructura se obtiene a partir de un sistemaequivalente de 1GL.
El planteamiento del sistema de 1GL, debecontemplar explícitamente el diferente nivelde degradación en los entrepisos de la edificación.
Ts = 3.0 seg
0
1
2
3
0.00% 0.01% 0.02% 0.03% 0.04% 0.05% 0.06%
DI (%)
GDL
K/Ko= 0.996K/Ko= 0.8669K/Ko= 0.6759K/Ko= 0.6054K/Ko= 0.4965K/Ko= 0.385K/Ko= 0.2725K/Ko= 0.1962
117
123
117
123
117
123
1 4
240
240
240
720
298 110 86 124 86
1 4
a) Marco A (Arias, 2005) b) Modelo Columna anchab) Modelo Columna ancha c) Modelo equivalente
Masa SE1GL
00
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-50-40-30-20-10
01020304050
-0.006 -0.004 -0.002 0 0.002 0.004 0.006
Análisis no lineal de las estructuras de mampostería.
Curva de comportamiento SMGDL
0
20
40
60
80
100
0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007
Des (m)
V (Ton)
Las propiedades dinámicas del sistema de 1GL, deben ser congruentes con el estado esperado de daño (distribución relativa de daño).
El modelo histerético del sistema de 1GL, debe ser capaz de capturar de manerarazonable el comportamiento no lineal de la mampostería ante cargas cíclicas.
Curva de comportamiento SUGDL
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02
Sd (m)
Sa (1/g)
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Pyn
HCxPyn
Fmax
Fn
Uy Umax
ΔF
a) Modelo de degradación de rigidez b) Modelo de deterioro de resistencia
Fn=Fmax(1-HBExE-HBDx μ )
HSxPy
Pyp
Pcp
c) Adelgazamiento cerca del origen
Análisis no lineal de las estructuras de mampostería.El modelo histerético del sistema de 1GL, debe contemplar degradación de rigidez y resistencia
-50-40-30-20-10
01020304050
-0.006 -0.004 -0.002 0 0.002 0.004 0.006
DI(mm/mm)
Cor
tant
e (T
on)
-50-40-30-20-10
01020304050
-0.006 -0.004 -0.002 0 0.002 0.004 0.006
DI(mm/mm)
Cor
tant
e (T
on)
Los parámetros del modelo histerético, deben calibrarse cuidadosamente a partir de resultados experimentales.
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DI(%)
Cor
tant
e B
asal
(Ton
)
Dañoligero (I)
Dañomoderado
(II y III)
Dañofuerte
(IV)
Dañofuerte
(IV)
Dañofuerte
(V)
Curva de Pushover
Evaluación del daño en las estructuras a un nivel global.
Con la demanda máxima de desplazamiento lateral del sistema de 1GL, es posible estimar la distorsión máxima en el entrepiso crítico. En función de esto, se puede determinar el estado de dañoestructural y no estructural en la edificación, y por tanto evaluar el desempeño sísmico de la estructura.
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Fuerte0.900.270.20Inicio de la penetración del fisuramiento inclinado en los extremos de los castillos.
Moderado0.850.350.13Primer agrietamiento de la mampostería por tensión diagonal o cortante.
Fuerte1.00.180.32Aplastamiento del concreto, agrietamiento
horizontal distribuido en la altura de los castillos.
Fuerte0.980.240.23Agrietamiento en forma de “X” en todos los paneles de mampostería.
Grave0.800.100.50Concentración de daño en los extremos
inferiores de los castillos. Plegamiento del refuerzo longitudinal.
Grave0.990.130.42Concentración de grietas diagonales en los extremos de los castillos. Desconchamiento
del recubrimiento de concreto.
Ligero 0.500.800.04Fisuras horizontales por flexión cercanas al paño de los castillos.
Grado de daño.V/VmaxK/Ko
Distorsión(%)
Estado de Daño Observado.
(Ruiz et al., 1998)(Ruiz et al., 1998)
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RETOS
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Nuestro gran reto:¡¡¡¡Innovar!!!!
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Debemos pasarde esto:
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Control de daños
Seguridad de VidaColapso
Cortante Basal
Desplazamiento
Colapso Incipiente
Cortante Basal
Desplazamiento
Colapso Incipiente
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A esto:
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Pesos
Tiempo
Muertes
Cortante Basal
Desplazamiento
Colapso Incipiente
Cortante Basal
Desplazamiento
Colapso Incipiente
Cortante Basal
Desplazamiento
Operación
$ $
$ $
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Esto implica lograr que el aspecto técnicoinvolucrado en el proyecto, no este subordinado a los demás aspectos a través de hacer ingenieríaconceptual de alto nivel que, a pesar de ser bienremunerada, arroje beneficios al cliente.
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Lo anterior requiere:
1) Coordinar esfuerzos de investigación– Interdisciplinarios– Marco de referencia. Definiciones y convenciones– Normatividad basada en desempeño– Balance Costo-Beneficio– Ventajas profesionales– Sistemas y materiales innovadores
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2) Enfocar educación en ingeniería sísmica– Universitaria (licenciatura y posgrado)– Eduación continua – Cultura sísmica (inversionista, arquitecto, usuario,
autoridad, sociedad civil)
3) Mejorar el ámbito bajo el cual se diseñan las estructuras sismorresistentes– Legal– Económico– Profesional